【ARM裸机】 - GCC编译流程&Makefile&动静态库

一、编译流程及GCC选项

1.1、编译流程包括：

       预处理(.i)->编译(.s)->汇编(.o)->链接(可执行文件)

1.2、gcc编译选项：

gcc  [选项]   文件名

gcc常用选项：
  -v：查看gcc编译器的版本，显示gcc执行时的详细过程
  -o           Place the output into
                           指定输出文件名为file，这个名称不能跟源文件名同名
  -E                       Preprocess only; do not compile, assemble or link
                           只预处理，不会编译、汇编、链接
  -S                       Compile only; do not assemble or link
                           只编译，不会汇编、链接
  -c                       Compile and assemble, but do not link

                           编译和汇编，不会链接    

  -I                       指定头文件目录

  -L                      指定链接库（-L lib（库路径） -l myapi（库名））

  -Wall                 输出警告信息

  -On                   优化选择n=1-3.

  -D                     指定一个宏定义

  -g                      添加调试信息（gbd调试必须添加此项）

（1）预处理，生成预编译文件（.i文件）。以#开头的为预处理命令：将include展开，将宏定义展开，根据条件编译选择使用的代码。将结果输出到.i文件中，.i要比实际.c文件大很多。

gcc -E -o hello.i hello.c

（2）编译，生成汇编代码（.s文件）：将.i文件翻译成汇编代码。

gcc -S -o hello.s hello.i

 

（3）汇编，生成目标文件（.o文件）：将.s翻译成符合一定格式的机器代码（ELF）。

 

gcc -c -o hello.o hello.s

（4）链接，生成可执行文件：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。

gcc -o hello hello.o

小结：

• 输入文件的后缀名和选项共同决定gcc到底执行那些操作。
• 在编译过程中，除非使用了-E、-S、-c选项(或者编译出错阻止了完整的编译过程)否则最后的步骤都是链接。

1.3、不同编译路径

方式1：

gcc hello.c  输出一个a.out，然后./a.out来执行该应用程序。
gcc -o hello hello.c  输出hello，然后./hello来执行该应用程序。

方式2：

gcc -E -o hello.i hello.c
gcc -S -o hello.s hello.i
gcc -c -o hello.o hello.s
gcc -o hello hello.o

方式3：

gcc -c -o hello.o hello.c
gcc -o hello hello.o

• gcc会对.c文件默认进行预处理操作，-c再来指明了编译、汇编，从而得到.o文件,再通过gcc -o hello hello.o将.o文件进行链接，得到可执行应用程序。

1.4、观察编译细节（-v）

$ gcc -v -o hello hello.o
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/lto-wrapper
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.4' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-5/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,java,go,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-5 --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --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-5-amd64/jre --enable-java-home --with-jvm-root-dir=/usr/lib/jvm/java-1.5.0-gcj-5-amd64 --with-jvm-jar-dir=/usr/lib/jvm-exports/java-1.5.0-gcj-5-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 --enable-multilib --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 5.4.0 20160609 (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.4)
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-o' 'hello' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccbhavbV.res 
 -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s 
 -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc 
 -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --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/5/../../../x86_64-linux-gnu/crt1.o 
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o 
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/crtbegin.o 
 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5 
 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../x86_64-linux-gnu 
 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../../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/5/../../..  
 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/5/crtend.o 
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
$

• 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，这些启动是必需的。
• gcc -v -nostdlib -o hello hello.o会提示因为没有链接系统标准启动文件和标准库文件，而链接失败。这个-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。
• 一般应用程序才需要系统标准启动文件和标准库文件。裸机/bootloader、linux内核等程序不需要启动文件、标准库文件。
• 动态链接使用动态链接库进行链接，生成的程序在执行的时候需要加载所需的动态库才能运行。动态链接生成的程序体积较小，但是必须依赖所需的动态库，否则无法执行。
  静态链接使用静态库进行链接，生成的程序包含程序运行所需要的全部库，可以直接运行，不过静态链接生成的程序体积较大。
• gcc -c -o hello.o hello.c
  gcc -o hello_shared  hello.o（默认动态）
  gcc -static -o hello_static hello.o（静态链接，编译结果较大）

二、Makefile

Makefile指明了整个工程的编译规则，可以完成整个工程的自动化编译，使编译便捷化、灵活化、高效化。

2.1 规则及示例

其核心规则格式为：

目标 : 依赖1 依赖2 ...
[TAB]命令

当目标文件不存在，或者目标的依赖发生时间上的更新时，会执行命令。

test: a.o b.o
	gcc -o test a.o b.o
	
a.o : a.c
	gcc -c -o a.o a.c

b.o : b.c
	gcc -c -o b.o b.c

如执行make test。则首先判断依赖a.o、b.o是否存在，不存在则跳转到依赖a.o处，将依赖编译出来，若依赖存在则通过修改时间判断依赖是否发生改变，未发生改变则不再重新编译已经存在的依赖（高效化）。

当执行make不跟目标时，则执行规则的第一个目标。

2.2 Makefile简单语法

2.2.1 通配符

当目标依赖比较多的时候，或者规则规律较为统一时，通配符可以简化规则的编写。

test: a.o b.o c.o
	gcc -o test $^
	
%.o : %.c
	gcc -c -o $@ $<

当test依赖很多的时候，则不方便，如果使用通配符就会简化。

依赖a.o符合%.o，然后使用%.c来编译。

$@：目标文件

$<：第一个依赖

$^:所有的依赖

2.2.2 假想目标

当当前目录存在一个名字为clean文件时，则make clean。clean存在，且无依赖。则不会执行clena下的命令。增加假象目标PHONY。

test: a.o b.o c.o
	gcc -o test $^
	
%.o : %.c
	gcc -c -o $@ $<

clean:
	rm *.o test

.PHONY: clean	

2.2.3 变量

A := xxx   # A的值即刻确定，在定义时即确定

B = xxx    # B的值使用到时才确定

:=    # 即时变量

=     # 延时变量

?=   # 延时变量, 如果是第1次定义才起效, 如果在前面该变量已定义则忽略这句（叠加Makefile的时候使用）

+=   # 附加, 它是即时变量还是延时变量取决于前面的定义（编译选项）

2.3常用Makefile设计技巧

1、二级目录存在二级Makefile的时候，可以使用?= 来定义ARCH KERNEL_DIR等，从而-C可以传入需要的内核路径，也可以使用二级目录定义的变量。

如：

KERNEL_DIR ?= ~/src/arm/kernel/

2、Makefile中定义宏，在代码中使用宏。

-D后跟宏的名字，类似于代码的#define，这样可以在Makefile中决定代码使用的版本。

CFLAGS_MODULE+=-DARM_IMX6U

3、目标大小瘦身，去除目标文件中的一些符号表、调试符号表信息，以减小程序的大小。

strip命令可以使驱动瘦身，进行优化。

三、动静态库制作及优缺点

    一般项目包括：

项目发布的时候，通常不会把.c文件直接公开。因此就需要编译出一些方法库，用户可以使用该库做为API进行应用程序开发，此时.c文件可以制作成动态或者静态库。

1、静态库制作

1.1 命名规则：

    lib+库名+.a  -> libmytest.a

1.2 制作步骤

    （1）将.c文件生成对应的.o文件。 -c选项

    （2）将.o文件打包。ar rcs +静态库的名字（liblibmytest.a）+.o文件

1.3 发布静态库

    （1）libmytest.a

    （2）头文件

1.4 例子

gcc *.c -c -I../include
ar rcs libmytest.a *.o
mv liblibmytest.a ../lib
//main.c使用了库中的API函数
gcc main.c lib/libmytest.a -o out -Iinclude
gcc main.c -Iinclude -L lib -l mytest -o out 

1.5 优缺点

nm out可以看到API函数被链接到代码段。

优点：发布程序不需要提供对应的库，加载速度快。

缺点：库被打包进应用程序，导致文件过大。若库发送改变，则需要重新编译应用程序。

2、动态库制作

2.1 命名规则

    lib+库名+.so  -> libmytest.so

2.2 制作步骤

    （1）将c代码生产位置无关的.o。-fPIC

    （2）将.o打包成共享库（动态库）

2.3 发布动态库

    （1）libmytest.so

    （2）头文件

2.4 例子

gcc -fPIC -c *.c -I../include
gcc -shared -o libmytest.so *.o -Iinclude
gcc main.c lib/libmytest.so -o out -Iinclude
//或者
gcc main.c -Iinclude -L./lib -lmytest -o out
//设置库路径

2.5 优缺点