GCC背后的故事&C程序常量变量的地址分配

一.  学习并掌握可执行程序的编译、组装过程。学习任务如下：

(1）阅读、理解和学习材料“用gcc生成静态库和动态库”和“静态库.a与.so库文件的生成与使用”，请在Linux系统(Ubuntu)下如实仿做一遍。

1.用gcc生成静态库和动态库

第 1 步：编辑生成例子程序 hello.h、hello.c 和 main.c。

创建一个目录，保存本次练习的文件。

#mkdir test1
#cd test1

然后用 vim、nano 或 gedit 等文本编辑器编辑生成所需要的 3 个文件。
hello.c(见程序 2)是函数库的源程序，其中包含公用函数 hello，该函数将在屏幕上输出"Hello
XXX!"。hello.h(见程序 1)为该函数库的头文件。main.c(见程序 3)为测试库文件的主程序，
在主程序中调用了公用函数 hello。
程序 1: hello.h

#ifndef HELLO_H
#define HELLO_H
void hello(const char *name);
#endif //HELLO_H

程序 2: hello.c

#include <stdio.h>
void hello(const char *name)
{
printf("Hello %s!\n", name);
}

程序 3: main.c
 

#include "hello.h"
int main()
{
hello("everyone");
return 0;
}

 

第 2 步：将 hello.c 编译成.o 文件。

在系统提示符下键入以下命令得到 hello.o 文件。

#gcc -c hello.c

运行 ls 命令看看是否生存了 hello.o 文件。 

# ls

第 3 步：由.o 文件创建静态库。

静态库文件名的命名规范是以 lib 为前缀，紧接着跟静态库名，扩展名为.a。在系统提示符下键入以下命令将创建静态库文件libmyhello.a。

# ar -crv libmyhello.a hello.o

运行 ls 命令查看结果 

# ls

 

第 4 步：在程序中使用静态库。

#gcc main.c libmyhello.a -o hello

第 5 步：由.o 文件创建动态库。

动态库文件名命名规范和静态库文件名命名规范类似，也是在动态库名增加前缀 lib，但其 文件扩展名为.so。

# gcc -shared -fPIC -o libmyhello.so hello.o 

使用 ls 命令看看动态库文件是否生成 

#ls

第 6 步：在程序中使用动态库。

程序中使用动态库和使用静态库完全一样，也是在使用到这些公用函数的源程序中包含 这些公用函数的原型声明，然后在用 gcc 命令生成目标文件时指明动态库名进行编译。

# gcc -o hello main.c -L. -lmyhello
# ./hello

 

 将文件 libmyhello.so 复制到目录/usr/lib 中，再尝试。

# mv libmyhello.so /usr/lib
# ./hello

 先删除除.c 和.h 外的所有文件，恢复成我们刚刚编辑完举例程序状态

# rm -f hello hello.o /usr/lib/libmyhello.so

再来创建静态库文件 libmyhello.a 和动态库文件 libmyhello.so。

# gcc -c hello.c
# ar -cr libmyhello.a hello.o （或-cvr ）
# gcc -shared -fPIC -o libmyhello.so hello.o

 运行 gcc 命令来使用函数库 myhello 生成目 标文件 hello，并运行程序 hello。

# gcc -o hello main.c -L. –lmyhello
# ./hell

2.静态库.a与.so库文件的生成与使用

第 1 步：编辑生成例子程序 件 A1.c 、 A2.c、 A.h、 test.c 。

A1.c

#include <stdio.h>
void print1(int arg){
printf("A1 print arg:%d\n",arg);
}

A2.c

#include <stdio.h>
void print2(char *arg){
printf("A2 printf arg:%s\n", arg);
}

A.h

#ifndef A_H
#define A_H
void print1(int);
void print2(char *);
#endif

test.c 

#include <stdlib.h>
#include "A.h"
int main(){
print1(1);
print2("test");
exit(0);
}

第 2 步：静态库.a 文件的生成与使用 

 

第 3 步 ：共享库.so 文件的生成与使用

(2）在第一次作业的程序代码基础进行改编，除了x2x函数之外，再扩展写一个x2y函数（功能自定），main函数代码将调用x2x和x2y ；将这3个函数分别写成单独的3个 .c文件，并用gcc分别编译为3个.o 目标文件；将x2x、x2y目标文件用 ar工具生成1个 .a 静态库文件, 然后用 gcc将 main函数的目标文件与此静态库文件进行链接，生成最终的可执行程序，记录文件的大小。

sub2.c

#include<stdio.h>
float x2y(int a,int b){
float c;
c=a+b;
return c;
}

(3）将x2x、x2y目标文件用 ar工具生成1个 .so 动态库文件, 然后用 gcc将 main函数的目标文件与此动态库文件进行链接，生成最终的可执行程序，记录文件的大小，并与之前做对比。

 

二. Gcc不是一个人在战斗。请说明gcc编译工具集中各软件的用途，了解EFF文件格式。学习任务如下：

Linux GCC 常用命令

1. 预处理：gcc -E test.c -o test.i 或 gcc -E test.c。GCC的-E选项可以让编译器在预处理后停止，并输出预处理结果。

2. 编译为汇编代码：gcc -S test.i -o test.s。GCC的-S选项表示程序编译期间，在生成汇编代码之后停止，-o输出汇编代码文件。

3. 汇编：gcc -c test.s -o test.o。将上一小节生成的汇编代码文件test.s，通过gas汇编器编译为目标文件。

4. 连接：gcc test.o -o test。将上一小节中生成的test.o，与C标准输入输出库进行连接，最终生成程序test。

5. 检错：

   • gcc -pedantic test.c -o test。-pedantic选项能够帮助程序员发现一些不符合ANSI/ISO C标准的代码，但不是全部。
   • gcc -Wall test.c -o test。-Wall能够使GCC产生更多的警告信息。
   • gcc -Werror test.c -o test。-Werror选项会使GCC在所有产生警告的地方停止编译，迫使程序员对代码进行修改。

GCC 编译器背后的故事

1.预处理

gcc -E hello.c -o hell

2.编译

gcc -S hello.i -o hello.s

3.汇编

gcc -c hello.s -o hello

4.链接

size hello //使用 size 查看大小

查看可执行文件链接其他动态库（主要是 Linux 的 glibc 动态库） 

 使 用 命 令 “ gcc -static hello.c -o hello”则 会 使 用 静 态 库 进 行 链 接 ， 生成的 ELF 可执行文件的大小（使用 Binutils 的 size 命令查看）和链接的 动态库（使用 Binutils 的 ldd 命令查看）

三.  编写一个C程序，重温全局常量、全局变量、局部变量、静态变量、堆、栈等概念，在Ubuntu（x86）系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。

(1）归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析；

1. 堆（Heap）：
   在 Ubuntu 和 STM32 上，堆是用于动态内存分配的区域。程序在运行时可以使用 malloc、calloc 或 realloc 函数从堆中分配内存，并在使用完后使用 free 函数释放内存。在 Ubuntu 上，堆通常从高地址开始向下增长，而在 STM32 上，堆通常从低地址开始向上增长。

2. 栈（Stack）：
   在 Ubuntu 和 STM32 上，栈是用于存储局部变量和函数调用信息的区域。当函数被调用时，它的参数、返回地址和局部变量都被推送到栈上。在 Ubuntu 上，栈通常从高地址开始向下增长，而在 STM32 上，栈通常从低地址开始向上增长。

3. 全局变量（Global Variables）：
   在 Ubuntu 和 STM32 上，全局变量是存储在全局/静态存储区的变量，它们在程序的整个生命周期内都存在。在 Ubuntu 上，全局变量通常存储在程序的数据段中，而在 STM32 上，全局变量通常存储在 Flash 存储器中。

4. 局部变量（Local Variables）：
   在 Ubuntu 和 STM32 上，局部变量是存储在栈上的变量，它们在函数被调用时创建，并在函数返回时销毁。在 Ubuntu 和 STM32 上，局部变量的存储方式相同，都是从高地址开始向下增长。

(2）加深对ARM Cortex-M/stm32F10x的存储器地址映射的理解。下图是一个Cortex-M4的存储器地址映射示意图（与Cortex-M3/stm32F10x基本相同，只存在微小差异） 

Cortex-M 的内存模型包括几个不同的内存区域，每个区域都有特定的用途和访问权限。而在Cortex-M 中，每个内存区域都有一个唯一的地址范围，称为地址映射。地址映射确定了每个内存区域在内存空间中的位置，以及它们的大小和访问权限。通过了解地址映射，开发人员可以编写正确访问内存区域的代码，并避免访问不允许的内存区域。