【软件开发底层知识修炼】五 gcc-C语言编译器

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前面的四篇文章终于把处理器系列学完了（点击查看上一篇文章： 高速缓存与TLB）。收获很大！！！ 接下来就该学习底层软件部分知识。今天学习gcc的基本概念与简单用法。

1、GCC与gcc

• GCC （GNU Compiler Collection）

  • GNU 编译器集合，包含众多语言的编译器，包括C,C++,Java等等
  • GCC多用于嵌入式操作系统的编译，如Linux，VxWorks，Android等等

• gcc 单指GCC中的C语言编译器

  • gcc 多用于内核开发以及少数应用程序开发

2、gcc的幕后工作

想了解更多更详细的关于编译链接深层次内容，请阅读书籍《CSAPP》第7章与《程序员的自我修养》，因为这里我的学习记录只记录结果与常用的几个编译方法。

我们先来看一个简单的程序：

test.c源程序：

#include 
#include "func.h"

int g_global = 0;
int g_test = 1;

int main(int argc, char *argv[])
{
    func();
    
    printf("&g_global = %p\n", &g_global);
    printf("&g_test = %p\n", &g_test);
    printf("&func = %p\n", &func);
    printf("&main = %p\n", &main);
	
    return 0;
}

func.h头文件：

#include 

void func()
{
#ifdef TEST
    printf("TEST = %s\n", TEST);
#endif

    return;
}

在Linux下使用gcc进行编译：

gcc test.c -o test

然后运行：

./test

结果如下：

&g_global = 0x804a020
&g_test = 0x804a014
&func = 0x80483c4
&main = 0x80483c9

很明显，上述程序很简单，大一的新生都知道为什么。但是今天我们不是学习这个程序的，而是想要了解，运行 gcc test.c -o test 这个命令后，是如何一步一步生成可执行文件test的。

实际上，上述C程序从源文件到二进制可执行文件，有以下四个步骤：

1. 预处理 cpp
2. C编译 cc
3. 汇编 as
4. 链接 ld

大概编译一个源程序为二进制文件的过程如下图所示：

当然，上面没有列出链接器，在生成file.o后，还需要将file.o与系统的库文件进行链接，生成最终的可执行文件。

从而，我们就知道了，gcc其实内部包含了预处理器，编译器，汇编器，链接器这四部分。

这四部分这里只是来简单介绍一下（网上一大堆，本文侧重点不在此）：

• 预处理器：预处理，将源程序的宏定义与带‘#’的部分展开
• 编译器：将预处理后得到的文件进行第一次编译得到对应的汇编源程序
• 汇编器：将第二步得到的汇编源程序进行第二次编译即汇编，得到二进制文件（可重定位文件）
• 链接器：将可重定位文件与相应的库进行链接生成最终的可执行文件

3、实用的gcc选项

本文的重点来了，上述的内容过于简单，而本节的内容虽然不难，但是并不被大多数人所了解，所以是本文的重点学习记录。

下面将要学习的gcc选项，在工作中具有很强的实用性。

3.1、预处理选项-解决宏错误

gcc -E file.c -o file.i

实用上述编译选项 -E 可以得到预处理后的文件，有时候我们在程序中定义的宏可能有错误，而这种错误又很难找，此时如果能得预处理后的文件，就可以方便定位错误。

3.2、-S参数-辅助编写汇编程序的好方法

写汇编程序很难，但是如果先写成C语言，再将这个C语言转化成汇编语言，就会很简单。gcc编译工具中，-S选项，可以达到这个目的。比如以下程序：
foo.c程序：

#include 
 void foo(){
    printf("This is foo().\n");                                             
 }

我们使用如下命令进行编译：

gcc -S -O2 foo.c -o foo.s

将会生成一个foo.c相同作用的汇编程序foo.s，如下：

	.file	"foo.c"
	.section	.rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.LC0:
	.string	"This is foo().\n"
	.text
	.p2align 4,,15
.globl foo
	.type	foo, @function
foo:
	pushl	%ebp
	movl	%esp, %ebp
	subl	$24, %esp
	movl	$.LC0, 4(%esp)
	movl	$1, (%esp)
	call	__printf_chk
	leave
	ret
	.size	foo, .-foo
	.ident	"GCC: (Ubuntu/Linaro 4.4.4-14ubuntu5.1) 4.4.5"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

使用-S 参数时，我们可以根据需要使用-O优化选项。从foo.s的内容可以看出，“This is foo().\n” 这个字符串是放在.rodata段的。看来获取C程序对应的汇编代码，对C语言实现方面的细节，也有所帮助。

3.3、获取系统头文件路径

gcc -v file.c 

获取file.c使用的系统头文件的位置

3.4、产生映射文件

如果我们想要知道程序中各个符号的内存布局的信息，可以使用如下命令：

gcc -Wl,-Map=file.map file.c -o file

3.5、通过选项定义宏

有时候程序中需要的某一个常量会依赖工作环境的不同而改变，这个时候，我们可以将这个常量定义为宏，但是这样，我们还是需要每次都在源程序中将宏的值改变，这也很麻烦，此时就可以利用编译选项 -D，在编译的命令行进行宏定义。

还有就是程序中或许会存在下属这样的代码：
test.c程序：

#include 
#include "func.h"

int g_global = 0;
int g_test = 1;

int main(int argc, char *argv[])
{
    func();
    
    printf("&g_global = %p\n", &g_global);
    printf("&g_test = %p\n", &g_test);
    printf("&func = %p\n", &func);
    printf("&main = %p\n", &main);
	
    return 0;
}

test.h头文件：

#include 

void func()
{
#ifdef TEST
    printf("TEST = %s\n", TEST);
#endif

    return;
}

在头文件中，有一处定义 # ifdef TEST …

很明显，上面的两个文件，都没有定义这个TEST，所以程序运行结果如下：

  &g_global = 0x804a020
  &g_test = 0x804a014
  &func = 0x80483c4
  &main = 0x80483c9

但是可能在某个场合，又必须要使用TEST定义，那么此时，我们肯定不愿意在程序中改来改去，此时就利用编译器的 -D选项，来定义这个TEST。如下编译命令：

gcc -D'TEST="test" ' test.c -o test

运行程序后，结果如下：

TEST = test
&g_global = 0x804a020
&g_test = 0x804a014
&func = 0x80483c4
&main = 0x80483e1

3.6、生成依赖关系

大多数人应该知道make，如果不知道也没有关系。
在makefile中，make需要通过依赖关系来决定，每次构建时哪些文件需要重新编译。使用gcc的-M选项，可以得到make所需要的源文件的依赖关系。-MM选项可以让gcc生成不包含系统文件的依赖关系。

比如有如下源文件：
main.c源文件（main.h与foo.c的内容是什么都行）

#include 
#include "main.h"
#include "foo.c"

int main(){
    printf("Hello world!\n");
    return 0;                                                                   
}

对其进行如下编译

gcc -M main.c

将得到如下输出：

可以看到，这句是make所需要的main.c的依赖关系。

如果使用如下命令的话：

gcc -MM main.c

将得到如下输出：

结果显而易见！！！

3.7、指定链接库

当一个可执行程序的生成，需要使用其他库时，需要在链接时加以指定。这就需要用到gcc 的-l与-L选项。

假设一个程序叫做main.c，它编译成可执行程序不光需要系统的标准库，还需要一个库：libfoo.a 且这个libfoo.a与main.c在同一个目录，那么在编译main.c时，需要以下命令：

gcc -o main -L. main.c -lfoo

注意：

• -L告诉gcc编译器，当前可以从哪个目录查找库文件，此处-L后面跟了一个**点‘.’**表示当前目录。
• -l选项，告诉编译器需要连接的库名。这里并没有写“lib”前缀和“.a后缀”。-lfoo就是代表指定libfoo.a库参与链接。

更加详细的内容参考《程序员的自我修养》

4、总结

今天学习了gcc的简单概念，与gcc的常用的参数选项。

本文章参考狄泰软件学院相关课程与《专业嵌入式软件》第4章的内容内容
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