Linux编译器 —— gcc和g++

目录

前言

1. gcc和g++的基本理解

2. gcc编译选项

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前言

在了解编译器之前，首先需要了解有关程序编译的流程，详见

程序的编译过程(简述)_编译流程_七月不远.的博客-CSDN博客

1. gcc和g++的基本理解

首先要知道，GCC和gcc是两个不同的东西 

• GCC:GNU Compiler Collection(GUN 编译器集合)，最初是作为C语言的编译器（GNU C Compiler），现在可以编译C、C++、JAVA、Fortran、Pascal、Object-C、Ada等语言
• gcc是GCC中的GUN C Compiler（C 编译器）
• g++是GCC中的GUN C++ Compiler（C++编译器）

gcc和g++本质上并不是编译器，只是一个驱动器(driver)，通过调用GCC编译器来完成对不同高级语言的编译工作，比如，用gcc编译一个.c文件的话，会有以下几个步骤：

1. 调用预处理器 比如 cpp
2. 调用真正的编译器 比如 cc or cc1
3. 调用汇编器 比如 as
4. 调用链接器 比如 ld

gcc 和 g++ 的区别无非就是调用的编译器不同, 并且传递给链接器的参数不同，更准确的说法是：gcc调用了C compiler，而g++调用了C++ compiler

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g++：

• g++ 会把 .c 文件当做是 C++ 语言 (在 .c 文件前后分别加上 -xc++ 和 -xnone, 强行变成 C++), 从而调用 cc1plus 进行编译
• g++ 遇到 .cpp 文件也会当做是 C++, 调用 cc1plus 进行编译
• g++ 还会默认告诉链接器, 让它链接上 C++ 标准库

gcc：

• gcc 会把 .c 文件当做是 C 语言. 从而调用 cc1 进行编译
• gcc 遇到 .cpp 文件, 会处理成 C++ 语言. 调用 cc1plus 进行编译
• gcc 默认不会链接上 C++ 标准库

只要是 GCC 支持编译的程序代码，都可以使用 gcc 命令完成编译。可以这样理解，gcc 是 GCC 编译器的通用编译指令，因为根据程序文件的后缀名，gcc 指令可以自行判断出当前程序所用编程语言的类别 

但如果使用 g++ 指令，则无论目标文件的后缀名是什么，该指令都一律按照编译 C++ 代码的方式编译该文件。也就是说，对于 .c 文件来说，gcc 指令以 C 语言代码对待，而 g++ 指令会以 C++ 代码对待。但对于 .cpp 文件来说，gcc 和 g++ 都会以 C++ 代码的方式编译

因此并不能说gcc只能编译C代码，g++只能编译C++代码

不能用gcc编译C++程序的原因是：gcc在链接时不能自动和C++程序使用的库联接，因此只能使用g++来完成链接过程 

在Linux下，使用 gcc -v 命令可以查看gcc版本(g++类似)，一般云服务器不经配置默认版本为4.8.5

使用 sudo yum install -y gcc-g++ 可以安装g++

2. gcc编译选项

假设我们有一个test.c源文件，使用gcc进行编译的最简单方式就是 gcc + .c文件名，默认生成一个a.out的可执行文件

gcc test.c

为了更好地控制编译过程，介绍如下选项

选项	作用
-x	指明输入文件的语言(否则gcc会根据文件后缀进行默认选择)
-E	在预处理阶段后停止，不运行编译操作
-S	在编译阶段后停止，不进行汇编操作
-c	编译或者汇编源文件，不进行链接操作
-o	后面接文件名，表示结果输出到哪个文件中
-v	打印编译各阶段执行的命令，以及gcc的版本号
-ansi	对.c文件，等价于-std=c90；对.cpp文件，等价于-std=c++98
-std=	确定语言标准，只在编译C和C++文件时使用
-w	不生成任何警告信息
-Wall	生成所有警告信息
-Werror	把警告信息作为错误处理
-I	指定头文件的搜索路径
-L	指定库文件的搜索路径
-l	指定链接库文件名
-g	生成调试信息
-O	优化等级，可以取值为0、1、2、3
-D	定义宏
-static	此选项对生成的文件采用静态链接
-shared	此选项将尽量使用动态库，所以生成文件比较小，但是需要系统由动态库

以下所有代码源文件均为test.c 

-x

#include 

int main()
{
    class A {};

    return 0;
}

对于这样一个C++文件，其后缀名却是.c，如果不在编译时添加指明语言的选项，使用如下编译命令会报错

[hqs@VM-8-2-centos 1]$ gcc test.c 
test.c: In function ‘main’:
test.c:5:5: error: unknown type name ‘class’
    5 |     class A {};
      |     ^~~~~
test.c:5:13: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘{’ token
    5 |     class A {};

 使用 -x 选项能够成功编译

[hqs@VM-8-2-centos 1]$ gcc -x c++ test.c 
[hqs@VM-8-2-centos 1]$ ls
a.out  test.c

  -E -S -c -o

gcc -E test.c -o test.i    // 预编译完停下来，生成test.i文件
gcc -S test.i -o test.s    // 编译完停下来，生成test.s文件
gcc -c testis -o test.o    // 汇编完停下来，生成test.o文件
gcc test.o -o test.out     // 编译完成，生成test.out文件

-D

举个例子来介绍 -D 选项，对下面的test.c文件使用不同的命令进行编译

#include 

#ifdef MAX 
    int x = 1;
#endif

int main()
{
    printf("%d\n", x);                                                                                                                                               
    return 0;
}

gcc test.c -o test -D MAX  // 正确输出 1

gcc test.c -o test         // 报错

-O

-O选项可以对源文件进行优化，不同的数字代表不同的优化等级，数字越大，优化等级越高，在Linux中默认的优化等级是 -O0，就是说如果不带优化选项-O，编译码在编译时默认不进行优化

以下面test.c代码为例，通过查看生成的可执行文件的汇编代码，来观察不同优化等级下的表现

// 源代码
#include 

int main()
{
    int left = 10;
    int right = 20;
    int sum = left + right;
    printf("%d\n", sum);

    return 0;
}

-O0（默认选项）

0000000000401132 
:
  401132:	55                   	push   %rbp
  401133:	48 89 e5             	mov    %rsp,%rbp
  401136:	48 83 ec 10          	sub    $0x10,%rsp
  40113a:	c7 45 fc 0a 00 00 00 	movl   $0xa,-0x4(%rbp)
  401141:	c7 45 f8 14 00 00 00 	movl   $0x14,-0x8(%rbp)
  401148:	8b 55 fc             	mov    -0x4(%rbp),%edx
  40114b:	8b 45 f8             	mov    -0x8(%rbp),%eax
  40114e:	01 d0                	add    %edx,%eax
  401150:	89 45 f4             	mov    %eax,-0xc(%rbp)
  401153:	8b 45 f4             	mov    -0xc(%rbp),%eax
  401156:	89 c6                	mov    %eax,%esi
  401158:	bf 10 20 40 00       	mov    $0x402010,%edi
  40115d:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  401162:	e8 c9 fe ff ff       	callq  401030 
  401167:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  40116c:	c9                   	leaveq 
  40116d:	c3                   	retq   
  40116e:	66 90                	xchg   %ax,%ax

在-O0级别的优化中，编译器十分“老实”，依次完成了如下操作：

1. 先将10和20分别放进内存，再赋值给寄存器
2. 在寄存器中完成加法，将结果写回内存
3. 将结果从内存中取出，放到寄存器%eax中
4. 再将%eax中的结果传给%esi作为printf函数的参数
5. 调用printf函数输出

在这种情况下生成的代码与源代码几乎是一样的，只是在生成的代码中会添加一些调试信息，以便于调试程序，因此常用于开发和调试阶段，在生产环境中，通常会使用其他优化级别，以便生成更高效的代码，提高程序的性能

-O1和-O3

-O1选项表示编译器进行基本的优化，包括删除未使用的代码、复制传递参数、移动循环不变表达式等简单的优化。这种优化不会显著增加编译时间，但会略微提高代码的性能

0000000000401132 
:
  401132:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  401136:	be 1e 00 00 00       	mov    $0x1e,%esi
  40113b:	bf 10 20 40 00       	mov    $0x402010,%edi
  401140:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  401145:	e8 e6 fe ff ff       	callq  401030 
  40114a:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  40114f:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  401153:	c3                   	retq   
  401154:	66 2e 0f 1f 84 00 00 	nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
  40115b:	00 00 00 
  40115e:	66 90                	xchg   %ax,%ax

可以看到生成的可执行文件汇编代码量明显减少，编译器的行为是：

1. 直接计算出了10+20的结果，并把这个结果30放到寄存器%esi中作为参数(-O0中第4步)
2. 调用printf输出

对于-O3选项，编译器进行更高级别的优化，包括函数内联、循环展开、算法改进等复杂的优化。这种优化可以显著提高代码的性能，但会导致编译时间显著增加

-O3选项下的汇编代码如下，可以看到会比-O1选项的代码更短

0000000000401060 
:
  401060:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  401064:	be 1e 00 00 00       	mov    $0x1e,%esi
  401069:	bf 10 20 40 00       	mov    $0x402010,%edi
  40106e:	31 c0                	xor    %eax,%eax
  401070:	e8 bb ff ff ff       	callq  401030 
  401075:	31 c0                	xor    %eax,%eax
  401077:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  40107b:	c3                   	retq   

因此，一般来说，如果开发者注重编译时间，则可以选择-O1选项，如果注重程序的性能，则可以选择-O3选项。当然，在具体的应用场景中，不同的优化级别可能会产生不同的效果，需要根据实际情况进行选择