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第2章 GCC编译器的使用

源文件需要经过编译才能生成可执行文件。在Windows下进行开发时，只需要点几个按钮即可编译，集成开发环境(比如Visual studio)已经将各种编译工具的使用封装好了。Linux下也有很优秀的集成开发工具，但是更多的时候是直接使用编译工具；即使使用集成开发工具，也需要掌握一些编译选项。

PC机上的编译工具链为gcc、ld、objcopy、objdump等，它们编译出来的程序在x86平台上运行。要编译出能在ARM平台上运行的程序，必须使用交叉编译工具xxx-gcc、xxx-ld等(不同版本的编译器的前缀不一样，比如arm-linux-gcc)，下面分别介绍。

2.1 GCC编译过程(精简版)​

一个C/C++文件要经过预处理(preprocessing)、编译(compilation)、汇编(assembly)和链接(linking)等4步才能变成可执行文件。

图 2.1 编译过程

通过不同的gcc选项可以控制这些过程：

图 2.2 gcc选项过程说明

在日常交流中通常使用“编译”统称这4个步骤，如果不是特指这4个步骤中的某一个，本教程也依惯例使用“编译”这个统称。

gcc使用示例：

gcc hello.c                   // 输出一个名为a.out的可执行程序，然后可以执行./a.out
gcc -o hello hello.c          // 输出名为hello的可执行程序，然后可以执行./hello
gcc -o hello hello.c -static  // 静态链接
gcc -c -o hello.o hello.c  // 先编译(不链接)
gcc -o hello hello.o       // 再链接

执行“gcc -o hello hello.c -v”时，可以查看到这些步骤：

cc1 main.c -o /tmp/ccXCx1YG.s
as         -o /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccXCx1YG.s

cc1 sub.c -o /tmp/ccXCx1YG.s
as         -o /tmp/ccn8Cjq6.o /tmp/ccXCx1YG.s

collect2 -o test /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccn8Cjq6.o ....

可以手工执行以下命令体验一下：

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

2.1.1 常用编译选项​

在学习时，我们暂时只需要了解表 2‑1中的选项：

表 2‑1 GCC常用编译选项

常用选项描述
-E预处理，开发过程中想快速确定某个宏可以使用“-E -dM”
-c把预处理、编译、汇编都做了，但是不链接
-o指定输出文件
-I指定头文件目录
-L指定链接时库文件目录
-l指定链接哪一个库文件

2.1.2 怎么编译多个文件​

  1. 一起编译、链接：
gcc  -o test  main.c  sub.c
  1. 分开编译，统一链接：
gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
gcc -o test main.o sub.o

2.1.3 制作、使用动态库​

  1. 制作、编译：
gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
gcc -shared  -o libsub.so  sub.o  sub2.o  sub3.o(可以使用多个.o生成动态库)
gcc -o test main.o  -lsub  -L /libsub.so/所在目录/
  1. 运行：
  2. 先把libsub.so放到Ubuntu的/lib目录，然后就可以运行test程序。
  3. 如果不想把libsub.so放到/lib，也可以放在某个目录比如/a，然后如下执行：
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/a
./test

2.1.4 制作、使用静态库​

gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
ar  crs  libsub.a  sub.o  sub2.o  sub3.o(可以使用多个.o生成静态库)
gcc  -o  test  main.o  libsub.a  (如果.a不在当前目录下，需要指定它的绝对或相对路径)

运行：不需要把静态库libsub.a放到板子上。

**注意：**执行arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc -c -o sub.o sub.c交叉编译需要在最后面加上-fPIC参数。

2.1.5 很有用的选项​

gcc -E main.c   // 查看预处理结果，比如头文件是哪个
gcc -E -dM main.c  > 1.txt  // 把所有的宏展开，存在1.txt里
gcc -Wp,-MD,abc.dep -c -o main.o main.c  // 生成依赖文件abc.dep，后面Makefile会用
echo 'main(){}'| gcc -E -v -  // 它会列出头文件目录、库目录(LIBRARY_PATH)

下面的资料来自GCC官方文档及一些中文资料，没必要逐一研读，用到时再翻翻。

2.2 GCC编译过程​

一个C/C++文件要经过预处理(preprocessing)、编译(compilation)、汇编(assembly)和链接(linking)等4步才能变成可执行文件，如图 2.1和

图 2.2所示。

在日常交流中通常使用“编译”统称这4个步骤，如果不是特指这4个步骤中的某一个，本教程也依惯例使用“编译”这个统称。

本节文档使用x86上的gcc来试验，使用ARM板的交叉编译工具链做实验时效果也是类似的。不同的交叉编译器工具链前缀可能不同，比如arm-linux-gcc。

2.2.1 预处理​

C/C++源文件中，以“#”开头的命令被称为预处理命令，如包含命令“#include”、宏定义命令“#define”、条件编译命令“#if”、“#ifdef”等。预处理就是将要包含(include)的文件插入原文件中、将宏定义展开、根据条件编译命令选择要使用的代码，最后将这些东西输出到一个“.i”文件中等待进一步处理。

2.2.2 编译​

编译就是把C/C++代码(比如上述的“.i”文件)“翻译”成汇编代码，所用到的工具为cc1(它的名字就是cc1，x86有自己的cc1命令，ARM板也有自己的cc1命令)。

2.2.3 汇编​

汇编就是将第二步输出的汇编代码翻译成符合一定格式的机器代码，在Linux系统上一般表现为ELF目标文件(OBJ文件)，用到的工具为as。x86有自己的as命令，ARM版也有自己的as命令，也可能是xxxx-as（比如arm-linux-as）。

“反汇编”是指将机器代码转换为汇编代码，这在调试程序时常常用到。

2.2.4 链接​

链接就是将上步生成的OBJ文件和系统库的OBJ文件、库文件链接起来，最终生成了可以在特定平台运行的可执行文件，用到的工具为ld或collect2。

编译程序时，加上-v选项就可以看到这几个步骤。比如：

gcc -o hello hello.c -v

可以看到很多输出结果，我们把其中的主要信息摘出来：

cc1 hello.c -o /tmp/cctETob7.s
as -o /tmp/ccvv2KbL.o /tmp/cctETob7.s
collect2 -o hello crt1.o crti.o crtbegin.o /tmp/ccvv2KbL.o crtend.o crtn.o

以上3个命令分别对应于编译步骤中的预处理+编译、汇编和链接，ld被collect2调用来链接程序。预处理和编译被放在了一个命令（cc1）中进行的，可以把它再次拆分为以下两步：

cpp -o hello.i hello.c
cc1 hello.i -o /tmp/cctETob7.s

我们不需要手工去执行cpp、cc1、collect2等命令，我们直接执行gcc并指定不同的参数就可以了。

可以通过如表 2‑1中的各种选项来控制gcc的动作。

2.3 GCC总体选项(Overall Option)​

  1. -c

预处理、编译和汇编源文件，但是不作链接，编译器根据源文件生成OBJ文件。缺省情况下，GCC通过用`.o'替换源文件名的后缀`.c'，`.i'，`.s'等，产生OBJ文件名。可以使用-o选项选择其他名字。GCC忽略-c选项后面任何无法识别的输入文件。

  1. -S

编译后即停止，不进行汇编。对于每个输入的非汇编语言文件，输出结果是汇编语言文件。缺省情况下，GCC通过用`.s'替换源文件名后缀`.c'，`.i'等等，产生汇编文件名。可以使用-o选项选择其他名字。GCC忽略任何不需要汇编的输入文件。

  1. -E

预处理后即停止，不进行编译。预处理后的代码送往标准输出。

  1. -o file

指定输出文件为file。无论是预处理、编译、汇编还是链接，这个选项都可以使用。如果没有使用`-o'选项，默认的输出结果是：可执行文件为`a.out'；修改输入文件的名称是`source.suffix'，则它的OBJ文件是`source.o'，汇编文件是 `source.s'，而预处理后的C源代码送往标准输出。

  1. -v

显示制作GCC工具自身时的配置命令；同时显示编译器驱动程序、预处理器、编译器的版本号。以一个程序为例，它包含三个文件，代码在02_options目录下。下面列出源码：

File: main.c
01 #include <stdio.h>
02 #include "sub.h"
03
04 int main(int argc, char *argv[])
05 {
06        int i;
07        printf("Main fun!\n");
08        sub_fun();
09        return 0;
10 }
11
File: sub.h
01 void sub_fun(void);
02
File: sub.c
01 void sub_fun(void)
02 {
03        printf("Sub fun!\n");
04 }
05

ARM版本的编译工具与gcc、ld等工具的使用方法相似，很多选项是一样的。本节使用gcc、ld等工具进行编译、链接，这样可以在PC上直接看到运行结果。使用上面介绍的选项进行编译，命令如下：

gcc  -c  -o  main.o  main.c
gcc  -c  -o  sub.o  sub.c
gcc  -o  test  main.o  sub.o

其中，main.o、sub.o是经过了预处理、编译、汇编后生成的OBJ文件，它们还没有被链接成可执行文件；最后一步将它们链接成可执行文件test，可以直接运行以下命令：

./test
Main fun!
Sub fun!

现在试试其他选项，以下命令生成的main.s是main.c的汇编语言文件：

gcc  -S  -o  main.s  main.c

以下命令对main.c进行预处理，并将得到的结果打印出来。里面扩展了所有包含的文件、所有定义的宏。在编写程序时，有时候查找某个宏定义是非常繁琐的事，可以使用`-dM –E’选项来查看。命令如下：

gcc  -E  main.c

2.4 警告选项(Warning Option)-Wall​

这个选项基本打开了所有需要注意的警告信息，比如没有指定类型的声明、在声明之前就使用的函数、局部变量除了声明就没再使用等。

上面的main.c文件中，第6行定义的变量i没有被使用，但是使用“gcc –c –o main.o main.c”进行编译时并没有出现提示。

可以加上-Wall选项，例子如下：

gcc -Wall -c main.c

执行上述命令后，得到如下警告信息：

main.c: In function `main':
main.c:6: warning: unused variable `i'

这个警告虽然对程序没有坏的影响，但是有些警告需要加以关注，比如类型匹配的警告等。

2.5 调试选项(Debugging Option)-g​

以操作系统的本地格式(stabs，COFF，XCOFF，或DWARF)产生调试信息，GDB能够使用这些调试信息。在大多数使用stabs格式的系统上，`-g'选项加入只有GDB才使用的额外调试信息。可以使用下面的选项来生成额外的信息：`-gstabs+'，`-gstabs'，`-gxcoff+'，`-gxcoff'，`-gdwarf+'或`-gdwarf'，具体用法请读者参考GCC手册。

2.6 优化选项(Optimization Option)​

  1. -O或-O1

优化：对于大函数，优化编译的过程将占用稍微多的时间和相当大的内存。不使用`-O'或`-O1'选项的目的是减少编译的开销，使编译结果能够调试、语句是独立的：如果在两条语句之间用断点中止程序，可以对任何变量重新赋值，或者在函数体内把程序计数器指到其他语句，以及从源程序中精确地获取你所期待的结果。

不使用`-O'或`-O1'选项时，只有声明了register的变量才分配使用寄存器。

使用了`-O'或`-O1'选项，编译器会试图减少目标码的大小和执行时间。如果指定了`-O'或`-O1'选项,，`-fthread-jumps'和`-fdefer-pop'选项将被打开。在有delay slot的机器上，`-fdelayed-branch'选项将被打开。在即使没有帧指针 (frame pointer)也支持调试的机器上，`-fomit-frame-pointer'选项将被打开。某些机器上还可能会打开其他选项。

  1. -O2

多优化一些。除了涉及空间和速度交换的优化选项，执行几乎所有的优化工作。例如不进行循环展开(loop unrolling)和函数内嵌(inlining)。和`-O'或`-O1'选项比较，这个选项既增加了编译时间，也提高了生成代码的运行效果。

  1. -O3

优化的更多。除了打开-O2所做的一切，它还打开了-finline-functions选项。

  1. -O0

不优化。

如果指定了多个-O选项，不管带不带数字，生效的是最后一个选项。

在一般应用中，经常使用-O2选项，比如对于options程序：

gcc  -O2  -c  -o  main.o  main.c
gcc  -O2  -c  -o  sub.o  sub.c
gcc  -o  test  main.o  sub.o

2.7 链接器选项(Linker Option)​

下面的选项用于链接OBJ文件，输出可执行文件或库文件。

  1. object-file-name

如果某些文件没有特别明确的后缀(a special recognized suffix)，GCC就认为他们是OBJ文件或库文件(根据文件内容,链接器能够区分OBJ文件和库文件)。如果GCC执行链接操作，这些OBJ文件将成为链接器的输入文件。

比如上面的“gcc -o test main.o sub.o”中，main.o、sub.o就是输入的文件。

  1. -llibrary

链接名为library的库文件。链接器在标准搜索目录中寻找这个库文件，库文件的真正名字是`liblibrary.a'。搜索目录除了一些系统标准目录外，还包括用户以`-L'选项指定的路径。一般说来用这个方法找到的文件是库文件──即由OBJ文件组成的归档文件(archive file)。链接器处理归档文件的方法是：扫描归档文件，寻找某些成员，这些成员的符号目前已被引用，不过还没有被定义。但是，如果链接器找到普通的OBJ文件，而不是库文件，就把这个OBJ文件按平常方式链接进来。指定`-l'选项和指定文件名的唯一区别是，`-l’选项用`lib'和`.a'把library包裹起来，而且搜索一些目录。

即使不明显地使用-llibrary选项，一些默认的库也被链接进去，可以使用-v选项看到这点：

gcc -v -o test main.o sub.o

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2
-o test
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../../crt1.o /usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../../crti.o
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/crtbegin.o
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../..
main.o
sub.o
-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/crtend.o
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../../crtn.o

可以看见，除了main.o、sub.o两个文件外，还链接了启动文件crt1.o、crti.o、crtend.o 、crtn.o，还有一些库文件(-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh)。

  1. -nostartfiles

不链接系统标准启动文件，而标准库文件仍然正常使用：

gcc -v -nostartfiles -o test main.o sub.o

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamic-linker
/lib/ld-linux.so.2
-o test
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../..
main.o
sub.o
-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh
/usr/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 08048184

可以看见启动文件crt1.o、crti.o、crtend.o 、crtn.o没有被链接进去。需要说明的是，对于一般应用程序，这些启动文件是必需的，这里仅是作为例子(这样编译出来的test文件无法执行)。在编译bootloader、内核时，将用到这个选项。

  1. -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。这个选项常用于编译内核、bootloader等程序，它们不需要启动文件、标准库文件。

仍以options程序作为例子：

gcc -v -nostdlib -o test main.o sub.o

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2
-o test
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../..
main.o
sub.o
/usr/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 08048074
main.o(.text+0x19): In function `main':
: undefined reference to `printf'
sub.o(.text+0xf): In function `sub_fun':
: undefined reference to `printf'
collect2: ld returned 1 exit status

出现了一大堆错误，因为printf等函数是在库文件中实现的。在编译bootloader、内核时，用到这个选项──它们用到的很多函数是自包含的。

  1. -static

在支持动态链接(dynamic linking)的系统上，阻止链接共享库。

仍以options程序为例，是否使用-static选项编译出来的可执行程序大小相差巨大：

gcc -c -o main.c
gcc -c -o sub.c
gcc -o test main.o sub.o
gcc -o test_static main.o sub.o –static
ls -l test test_static
-rwxr-xr-x 1 book book   6591 Jan 16 23:51 test
-rwxr-xr-x 1 book book 546479 Jan 16 23:51 test_static

其中test文件为6591字节，test_static文件为546479字节。当不使用-static编译文件时，程序执行前要链接共享库文件，所以还需要将共享库文件放入文件系统中。

  1. -shared

生成一个共享OBJ文件，它可以和其他OBJ文件链接产生可执行文件。只有部分系统支持该选项。

当不想以源代码发布程序时，可以使用-shared选项生成库文件，比如对于options程序，可以如下制作库文件：

gcc -c -o sub.o sub.c
gcc -shared -o libsub.so sub.o

以后要使用sub.c中的函数sub_fun时，在链接程序时，指定引脚libsub.so即可，比如：

gcc -o test main.o  -lsub  -L /libsub.so/所在的目录/

可以将多个文件制作为一个库文件，比如：

gcc -shared  -o libsub.so  sub.o  sub2.o  sub3.o
  1. -Xlinker option

把选项option传递给链接器。可以用来传递系统特定的链接选项，GCC无法识别这些选项。如果需要传递携带参数的选项，必须使用两次`-Xlinker'，一次传递选项，另一次传递其参数。例如，如果传递`-assert definitions'，要成`-Xlinker -assert -Xlinker definitions'，而不能写成`-Xlinker "-assert definitions"'，因为这样会把整个字符串当做一个参数传递，显然这不是链接器期待的。

  1. -Wl,option

把选项option传递给链接器。如果option中含有逗号，就在逗号处分割成多个选项。链接器通常是通过gcc、arm-linux-gcc等命令间接启动的，要向它传入参数时，参数前面加上`-Wl,’。

  1. -u symbol

使链接器认为取消了symbol的符号定义，从而链接库模块以取得定义。可以使用多个 `-u'选项，各自跟上不同的符号，使得链接器调入附加的库模块。

2.8 目录选项(Directory Option)​

下列选项指定搜索路径，用于查找头文件，库文件，或编译器的某些成员。

  1. -Idir

在头文件的搜索路径列表中添加dir 目录。

头文件的搜索方法为：如果以“#include < >”包含文件，则只在标准库目录开始搜索(包括使用-Idir选项定义的目录)；如果以“#include “ ””包含文件，则先从用户的工作目录开始搜索，再搜索标准库目录。

  1. -I-

任何在`-I-'前面用`-I'选项指定的搜索路径只适用于`#include "file"'这种情况；它们不能用来搜索`#include <file>'包含的头文件。如果用`-I'选项指定的搜索路径位于`-I-'选项后面，就可以在这些路径中搜索所有的`#include'指令(一般说来-I选项就是这么用的)。还有，`-I-'选项能够阻止当前目录(存放当前输入文件的地方)成为搜索`#include "file"'的第一选择。

`-I-'不影响使用系统标准目录，因此，`-I-'和`-nostdinc'是不同的选项。

  1. -Ldir

在`-l'选项的搜索路径列表中添加dir目录。仍使用options程序进行说明，先制作库文件libsub.a：

gcc -c -o sub.o sub.c
gcc -shared -o libsub.a sub.o

编译main.c：

gcc  -c -o  main.o  main.c

链接程序，下面的指令将出错，提示找不到库文件：

gcc  -o  test  main.o  -lsub
/usr/bin/ld: cannot find -lsub
collect2: ld returned 1 exit status

可以使用-Ldir选项将当前目录加入搜索路径，如下则链接成功：

gcc -L. -o test main.o -lsub
  1. -Bprefix

这个选项指出在何处寻找可执行文件，库文件，以及编译器自己的数据文件。编译器驱动程序需要使用某些工具，比如：`cpp'，`cc1' (或C++的`cc1plus')，`as'和`ld'。它把prefix当作欲执行的工具的前缀，这个前缀可以用来指定目录，也可以用来修改工具名字。

对于要运行的工具，编译器驱动程序首先试着加上`-B'前缀(如果存在)，如果没有找到文件，或没有指定`-B'选项，编译器接着会试验两个标准前缀`/usr/lib/gcc/'和`/usr/local/lib/gcc-lib/'。如果仍然没能够找到所需文件，编译器就在`PATH'环境变量指定的路径中寻找没加任何前缀的文件名。如果有需要，运行时(run-time)支持文件`libgcc.a'也在`-B'前缀的搜索范围之内。如果这里没有找到，就在上面提到的两个标准前缀中寻找，仅此而已。如果上述方法没有找到这个文件，就不链接它了。多数情况的多数机器上，`libgcc.a'并非必不可少。

可以通过环境变量GCC_EXEC_PREFIX获得近似的效果；如果定义了这个变量，其值就和上面说的一样被用作前缀。如果同时指定了`-B'选项和GCC_EXEC_PREFIX变量，编译器首先使用`-B'选项，然后才尝试环境变量值。

2.9 ld/objdump/objcopy选项​

我们在开发APP时，一般不需要直接调用这3个命令；在开发裸机、bootloader时，或是调试APP时会涉及，到时再讲。