【Linux】-GCC

1. 拆解编译过程

1.1 Windows 编译

　　在 Windows 上开发，通常会使用 Visual Studio 等 IDE。代码写完后直接点编译按钮，就能生成可执行文件。这种方式虽然方便，但隐藏了编译过程中更为细分的步骤。

1.2 Linux 编译

　　在 Linux 上开发，通常使用 GCC 编译。我们可以更为细致地观察编译过程。hello.c 代码如下：

/*
* hello.c
*/
#include <stdio.h>

#define MAX 20
#define MIN 10

#define _DEBUG
#define SetBit(x) (1<<x)

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("Hello world!
");
    printf("MAX = %d, MIN = %d, MAX+MIN = %d
", MAX, MIN, MAX+MIN);

#ifdef _DEBUG
    printf("SetBit(5) = %d, SetBit(6) = %d
", SetBit(5), SetBit(6));
    printf("SetBit(SetBit(2)) = %d
", SetBit(SetBit(2)));
#endif

    return 0;
}

　　编译过程由以下几个步骤组成：

编译步骤拆分示例

2. GCC 简介

2.1 什么是 GCC

　　GCC（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件）是 Linux 下主要的编译工具。GCC 可以编译 C/C++、Java 等多个语言的程序。

2.2 使用 GCC 的原因

　　功能强大且稳定，开源免费。

3. GCC 常用选项

　　GCC 命令格式通常如下：

gcc [选项] 文件名

3.1 gcc --help

　　查看帮助信息，其中列出了各选项的具体用途。

albert@AlbertUltra:~$ gcc --help
Usage: gcc [options] file...
Options:
  -pass-exit-codes         Exit with highest error code from a phase
  --help                   Display this information
  --target-help            Display target specific command line options
  --help={common|optimizers|params|target|warnings|[^]{joined|separate|undocumented}}[,...]
                           Display specific types of command line options
  (Use '-v --help' to display command line options of sub-processes)
  --version                Display compiler version information
  -dumpspecs               Display all of the built in spec strings
  -dumpversion             Display the version of the compiler
  -dumpmachine             Display the compiler's target processor
  -print-search-dirs       Display the directories in the compiler's search path
  -print-libgcc-file-name  Display the name of the compiler's companion library
  -print-file-name=<lib>   Display the full path to library <lib>
  -print-prog-name=<prog>  Display the full path to compiler component <prog>
  -print-multiarch         Display the target's normalized GNU triplet, used as
                           a component in the library path
  -print-multi-directory   Display the root directory for versions of libgcc
  -print-multi-lib         Display the mapping between command line options and
                           multiple library search directories
  -print-multi-os-directory Display the relative path to OS libraries
  -print-sysroot           Display the target libraries directory
  -print-sysroot-headers-suffix Display the sysroot suffix used to find headers
  -Wa,<options>            Pass comma-separated <options> on to the assembler
  -Wp,<options>            Pass comma-separated <options> on to the preprocessor
  -Wl,<options>            Pass comma-separated <options> on to the linker
  -Xassembler <arg>        Pass <arg> on to the assembler
  -Xpreprocessor <arg>     Pass <arg> on to the preprocessor
  -Xlinker <arg>           Pass <arg> on to the linker
  -save-temps              Do not delete intermediate files
  -save-temps=<arg>        Do not delete intermediate files
  -no-canonical-prefixes   Do not canonicalize paths when building relative
                           prefixes to other gcc components
  -pipe                    Use pipes rather than intermediate files
  -time                    Time the execution of each subprocess
  -specs=<file>            Override built-in specs with the contents of <file>
  -std=<standard>          Assume that the input sources are for <standard>
  --sysroot=<directory>    Use <directory> as the root directory for headers
                           and libraries
  -B <directory>           Add <directory> to the compiler's search paths
  -v                       Display the programs invoked by the compiler
  -###                     Like -v but options quoted and commands not executed
  -E                       Preprocess only; do not compile, assemble or link
  -S                       Compile only; do not assemble or link
  -c                       Compile and assemble, but do not link
  -o <file>                Place the output into <file>
  -pie                     Create a position independent executable
  -shared                  Create a shared library
  -x <language>            Specify the language of the following input files
                           Permissible languages include: c c++ assembler none
                           'none' means revert to the default behavior of
                           guessing the language based on the file's extension

Options starting with -g, -f, -m, -O, -W, or --param are automatically
 passed on to the various sub-processes invoked by gcc.  In order to pass
 other options on to these processes the -W<letter> options must be used.

For bug reporting instructions, please see:
<file:///usr/share/doc/gcc-4.8/README.Bugs>.
albert@AlbertUltra:~$ 

　　从以上 help 信息可以看到，gcc 有很多功能选项。但在实际使用中，常用的选项并不多，重点掌握这些选项即可。

3.2 -v 选项

3.2.1 显示版本信息

　　单独输入 gcc -v，屏幕上会显示 gcc 的版本信息。我们也可以用此命令来检测 gcc 是否工作正常。

albert@AlbertUltra:~$ gcc -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4' 
　　--with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.8/README.Bugs --enable-languages=c,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-4.8 
　　--enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.8 
　　--libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --enable-gnu-unique-object 
　　--disable-libmudflap --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo 
　　--with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 
　　--with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar 
　　--enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --with-tune=generic 
　　--enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4) 
albert@AlbertUltra:~$

3.2.2 显示 gcc 执行时的详细过程

　　-v 选项和其他选项配合使用，将显示 gcc 命令执行的详细过程。

3.3 -o 选项

　　-o 选项在 help 信息中描述如下：-o <file>：Place the output into <file>。也就是指定生成文件的名称。-o 选项可以和其他选项搭配使用。

3.4 -E 选项

　　-E 选项在 help 信息中描述如下：Preprocess only; do not compile, assamble or link。简而言之，-E 的功能就是预编译，譬如展开头文件，替换宏定义，根据条件编译选择编译哪部分代码等。

　　我们使用以下命令生成 hello.i，这是 hello.c 经过预处理的结果。

gcc -E -o hello.i hello.c

　　对比 hello.c 和 hello.i，可以更形象地了解预编译的效果。限于篇幅，不将具体差异贴在此处。

3.5 -S 选项

　　-S 选项在 help 信息中描述如下：compile only; do not assemble or link。这个选项用于编译阶段，将预处理生成的 .i 编译成 .s。

gcc -S -o hello.s hello.i

　　hello.s 中的内容如下：

albert@AlbertUltra:~/coding/gcc$ cat hello.s
    .file    "hello.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string    "Hello world!"
    .align 8
.LC1:
    .string    "MAX = %d, MIN = %d, MAX+MIN = %d
"
    .align 8
.LC2:
    .string    "SetBit(5) = %d, SetBit(6) = %d
"
.LC3:
    .string    "SetBit(SetBit(2)) = %d
"
    .text
    .globl    main
    .type    main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushq    %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movq    %rsi, -16(%rbp)
    movl    $.LC0, %edi
    call    puts
    movl    $30, %ecx
    movl    $10, %edx
    movl    $20, %esi
    movl    $.LC1, %edi
    movl    $0, %eax
    call    printf
    movl    $64, %edx
    movl    $32, %esi
    movl    $.LC2, %edi
    movl    $0, %eax
    call    printf
    movl    $16, %esi
    movl    $.LC3, %edi
    movl    $0, %eax
    call    printf
    movl    $0, %eax
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size    main, .-main
    .ident    "GCC: (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4) 4.8.4"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits
albert@AlbertUltra:~/coding/gcc$

　　可以看到，经过编译处理，已经将源文件中的 C 语言代码转换成汇编代码。

3.6 -c 选项

　　-c 选项在 help 信息中描述如下：Compile and assemble, but do not link。也就是说，这个步骤是编译和汇编的，但不做链接。这一步生成 .o 文件，即 object file，也称 OBJ 文件。

gcc -c -o hello.o hello.s

　　通过 file 命令查看 hello.o，可以看到，它是一个 ELF（Exacutable and Linkable File Format，可执行与可链接文件格式）文件。也就是说，这一步生成的文件其实已经是机器码。但我们不能直接运行 .o 文件，因为 .o 不是可执行文件，而是目标文件。还要通过链接器把多个目标文件以及函数库链接起来，才能生成可执行文件。

3.7 链接

　　链接就是将汇编生成的OBJ文件、系统库的OBJ文件、库文件链接起来，最终生成可以在特定平台运行的可执行程序。

　　通过以下命令链接，查看具体信息：

albert@AlbertUltra:~/coding/gcc$ gcc -v -o hello hello.o
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.8/README.Bugs 
　　--enable-languages=c,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-4.8 --enable-shared --enable-linker-build-id 
　　--libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.8 --libdir=/usr/lib 
　　--enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --enable-gnu-unique-object 
　　--disable-libmudflap --enable-plugin --with-system-zlib --disable-browser-plugin --enable-java-awt=gtk --enable-gtk-cairo 
　　--with-java-home=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 
　　--with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-4.8-amd64 --with-arch-directory=amd64 --with-ecj-jar=/usr/share/java/eclipse-ecj.jar 
　　--enable-objc-gc --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --with-tune=generic 
　　--enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.4) 
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
　　:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../x86_64-linux-gnu/:
　　/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/
　　:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'hello' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/collect2 --sysroot=/ --build-id --eh-frame-hdr 
　　-m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
　　-z relro -o hello /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../x86_64-linux-gnu/crt1.o 
　　/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o 
　　/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8 
　　-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../../lib 
　　-L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib 
　　-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../.. hello.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed 
　　-lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/crtend.o 
　　/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.8/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
albert@AlbertUltra:~/coding/gcc$

　　crt1.o、crti.o、crtbegin.o、crtend.o、crtn.o 是 gcc 加入的系统标准启动文件，对于一般应用程序，这些启动文件是必需的。

　　-lc：链接 libc 库文件，其中 libc 库文件中就实现了 printf 等函数。

3.8 -nostdlib 选项

　　-nostdlib 不链接系统标准启动文件和标准库文件，只把指定的文件传递给链接器。

　　-nostdlib 选项常用于裸机、bootloader、Linux 内核等程序，因为它们不需要启动文件、标准库文件。对于普通应用程序，如果添加 -nostdlib 选项，会提示没有链接系统标准启动文件和标准库文件，导致链接失败。

3.9 文件类型对于编译的影响

　　在上述小节中，我们专注于解释各个选项的作用。现在我们要返回来，看看文件类型对于编译的影响。

　　在编译过程中，除非使用了 -E、-S、-c 选项或者编译出错，否则最后的步骤都是链接。输入文件的后缀名和选项共同决定 gcc 执行哪些操作。

　　这样说可能还不是很直观。我们举个例子来看看。

# 示例一
gcc -o hello hello.i

# 示例二
gcc -o hello hello.s

# 示例三
gcc -o hello hello.o

　　以上三种方式，都会生成可执行文件 hello，并且能够成功运行，但给出的文件类型不同。

　　示例一中，给出的是 .i 文件，因此 gcc 对其进行编译、汇编、链接，生成可执行文件。

　　示例二中，给出的是 .s 文件，因此 gcc 对其进行汇编、链接，生成可执行文件。

　　示例三中，给出的是 .o 文件，因此 gcc 对其进行链接，生成可执行文件。

　　简而言之，对于不同文件类型，能进行的操作是不同的。这也会对编译产生影响。

3.10 库文件

　　关于库文件的使用，前面已经写过一篇《【Linux】-库文件》，此处不再赘述。