【嵌入式开发】gcc 学习笔记(一) - 编译C程序 及 编译过程

一. C程序编译过程

编译过程简介 : C语言的源文件 编译成 可执行文件需要四个步骤, 预处理 (Preprocessing) 扩展宏, 编译 (compilation) 得到汇编语言, 汇编 (assembly) 得到机器码, 连接 (linking) 得到可执行文件;

-- 查看每个步骤的编译细节 : "-E" 对应 预处理, "-S" 对应 编译, "-c" 对应 汇编, "-O" 对应 连接;

-- 每个步骤对应的工具 : 预处理器 (CPP - The C Preprogressor), 编译器 (cc1), 汇编器 (as), 连接器 (ld);

-- 查看总体编译细节 : 使用 "-v" 参数, 可以查看总体编译细节;

octopus@octopus:~/test$ gcc -v main.c
使用内建 specs。
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/lto-wrapper
目标：i686-linux-gnu
配置为：../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.6/README.Bugs --enable-languages=c,c++,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --program-suffix=-4.6 --enable-shared --enable-linker-build-id --with-system-zlib --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.6 --libdir=/usr/lib --enable-nls --with-sysroot=/ --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --enable-gnu-unique-object --enable-plugin --enable-objc-gc --enable-targets=all --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-tune=generic --enable-checking=release --build=i686-linux-gnu --host=i686-linux-gnu --target=i686-linux-gnu
线程模型：posix
gcc 版本 4.6.3 (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=i686'
 /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/cc1 -quiet -v -imultilib . -imultiarch i386-linux-gnu main.c -quiet -dumpbase main.c -mtune=generic -march=i686 -auxbase main -version -fstack-protector -o /tmp/ccUWUvbm.s
GNU C (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 版本 4.6.3 (i686-linux-gnu)
	由 GNU C 版本 4.6.3 编译， GMP 版本 5.0.2，MPFR 版本 3.1.0-p3，MPC 版本 0.9
GGC 准则：--param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
忽略不存在的目录“/usr/local/include/i386-linux-gnu”
忽略不存在的目录“/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../../i686-linux-gnu/include”
#include "..." 搜索从这里开始：
#include <...> 搜索从这里开始：
 /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/include
 /usr/local/include
 /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/include-fixed
 /usr/include/i386-linux-gnu
 /usr/include
搜索列表结束。
GNU C (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 版本 4.6.3 (i686-linux-gnu)
	由 GNU C 版本 4.6.3 编译， GMP 版本 5.0.2，MPFR 版本 3.1.0-p3，MPC 版本 0.9
GGC 准则：--param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: 09c248eab598b9e2acb117da4cdbd785
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=i686'
 as --32 -o /tmp/cciJfMAd.o /tmp/ccUWUvbm.s
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../i386-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../../lib/:/lib/i386-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/i386-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=i686'
 /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/collect2 --sysroot=/ --build-id --no-add-needed --as-needed --eh-frame-hdr -m elf_i386 --hash-style=gnu -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -z relro /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../i386-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../i386-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6 -L/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../i386-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../../lib -L/lib/i386-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/i386-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../.. /tmp/cciJfMAd.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/crtend.o /usr/lib/gcc/i686-linux-gnu/4.6/../../../i386-linux-gnu/crtn.o

1. 预处理

预处理命令 : 源程序中 以 "#" 开头的命令是 预处理命令, 如 "#include", "#define", "ifndef" 等;

预处理过程 : 预处理将 include 的文件插入到 源文件中, 展开 define 宏定义, 根据条件 编译代码;

编译下面的源程序 :

/*************************************************************************
    > File Name: main.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月30日 星期三 17时31分08秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#define NUM 5

int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello World ! num = %d \n", NUM);
	return 0;
}

预处理结果 : 预处理 源程序 产生的结果会放到 ".i" 后缀的文件中, 默认情况下 ".i" 后缀文件是不写到磁盘中的, 如果加上 "-save-temps" 参数, 就会将所有的中间文件都保存到磁盘中;

-- 分析下面的例子 : 使用 gcc -save-temps main.c 命令编译源程序, 所有的中间文件都会保留, main.i 是预处理结果, main.s 是编译结果, main.o 是汇编结果, a.out 是连接生成的可执行文件;

octopus@octopus:~/test$ ls
main.c
octopus@octopus:~/test$ gcc -save-temps main.c
octopus@octopus:~/test$ ls
a.out  main.c  main.i  main.o  main.s
octopus@octopus:~/test$ ./a.out
Hello World ! num = 5

查看预处理细节 : 使用 gcc -E mian.c 命令, 会输出编译细节, 打印出上千行, 这里只贴出部分;

octopus@octopus:~/test$ gcc -E main.c
# 1 "main.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<命令行>"
# 1 "main.c"

...

# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 324 "/usr/include/features.h" 3 4

...

# 9 "main.c" 2

int main(int argc, char **argv)
{
 printf("Hello World ! \n");
 return 0;
}

在 gcc 命令行中进行宏定义 : 使用 gcc -DNUM=5 main.c 命令, 在程序中就可以使用 NUM 宏定义了, "-DNUM" 相当于在程序中定义了 "#define NUM 5";

-- main.c 内容 :

/*************************************************************************
    > File Name: main.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月30日 星期三 17时31分08秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello World ! num = %d \n", NUM);
	return 0;
}

-- 编译过程 : 

octopus@octopus:~/test$ gcc -DNUM=5 main.c
octopus@octopus:~/test$ ./a.out
Hello World ! num = 5

2. 编译

编译流程 : 编译器在编译阶段依次执行 词法分析, 语法分析, 代码优化, 存储分配, 代码生成 五个步骤;

-- 多次扫描方案 : 编译器每次扫描代码只完成一项工作, 如 第一次扫描 只进行词法分析, 第二次扫描进行 语法分析, 扫描多次完成上面的五个步骤;

生成中间的汇编中间文件 : 使用 gcc -S main.c 编译上面的 main.c 源程序, 可以得到 mian.s 汇编语言文件, 这是产生的中间汇编程序;

-- 编译过程 及 结果 :

octopus@octopus:~/test$ gcc -S main.c
octopus@octopus:~/test$ cat main.s
	.file	"main.c"
	.section	.rodata
.LC0:
	.string	"Hello World ! num = %d \n"
	.text
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	pushl	%ebp
	.cfi_def_cfa_offset 8
	.cfi_offset 5, -8
	movl	%esp, %ebp
	.cfi_def_cfa_register 5
	andl	$-16, %esp
	subl	$16, %esp
	movl	$.LC0, %eax
	movl	$5, 4(%esp)
	movl	%eax, (%esp)
	call	printf
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_restore 5
	.cfi_def_cfa 4, 4
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits
octopus@octopus:~/test$

3. 汇编

汇编过程 : 汇编 就是将 汇编语言代码 翻译成 机器码, 也就是 ".o" 后缀的对象文件, 该过程 使用 汇编器 as 实现;

获取中间文件 : "-c" 选项可以保留 汇编过程中的 ".o" 后缀的中间文件, 使用 gcc -c main.c 命令, 可以获得 main.o 对象文件;

octopus@octopus:~/test$ ls
main.c
octopus@octopus:~/test$ gcc -c main.c
octopus@octopus:~/test$ ls
main.c  main.o

4. 连接

链接过程 : 使用 ld 连接器, 将 汇编 过程中生成的 ".o" 对象文件, 与其它 对象文件 和 库文件连接起来, 生成可执行的二进制文件;

连接示例 : 使用 gcc main.o 将汇编过程生成的对象文件 main.o , 生成可执行文件 a.out ;

octopus@octopus:~/test$ gcc main.o
octopus@octopus:~/test$ ./a.out
Hello World ! num = 5

二. 编译C程序

1. 编译单个C程序

C语言程序示例 : 简单的Hello World;

/*************************************************************************
    > File Name: main.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月19日 星期六 16时22分26秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello World! \n");
	return 0;
}

简单编译 : 使用 gcc main.c 命令, 会生成 a.out 可执行文件, 使用 ./a.out 可以执行编译好的C程序;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc main.c
octopus@octopus:~/gcc$ ./a.out
Hello World! 

指定输出文件编译 : 如果不想使用 a.out 作为输出文件, 可以使用 -o 参数指定输出文件, 如果该文件存在就会覆盖;

-- 命令 : gcc main.c -o main;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc main.c -o main
octopus@octopus:~/gcc$ ./main
Hello World!

显示警告选项 : -Wall 选项, 可以在编译的时候, 将警告信息输出到终端中;

-- 编译输出警告信息 : gcc -Wall main.c;

人为制造警告 : 在 printf 输出的时候, 使用 %s 作为一个 int 数据的占位符;

/*************************************************************************
    > File Name: main.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月19日 星期六 16时22分26秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello World!  num = %s\n", 4);
	return 0;
}

-- 执行编译 : gcc -Wall main.c, 编译的时候报出警告, 但是编译通过, 但是运行的时候就出错了;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc main.c
main.c: 在函数‘main’中:
main.c:12:2: 警告： 格式 ‘%s’ expects argument of type ‘char *’, but argument 2 has type ‘int’ [-Wformat]
octopus@octopus:~/gcc$ ./a.out
段错误 (核心已转储)

2. 编译多个文件

由三个文件组成的程序 : kill.h, kill.c, main.c, 其中 main.c 是主函数入口, 调用 kill.c 定义的方法;

-- kill.h 内容 : 声明 kill 方法, 引用了该头文件, 即可使用 kill 方法;

/*************************************************************************
    > File Name: kill.h
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月19日 星期六 20时51分59秒
 ************************************************************************/

#ifndef KILL

int kill(char *);

#endif

-- kill.c 内容 : 主要实现 kill.h 中声明的 kill 方法;

/*************************************************************************
    > File Name: kill.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月19日 星期六 20时53分53秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

int kill(char *ch)
{
	printf("%s \n", ch);
	return 0;
}

-- mian.c内容 : 引用 kill.h 库;

/*************************************************************************
    > File Name: main.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com
    > Created Time: 2014年04月19日 星期六 16时22分26秒
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#include"kill.h"

int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello World! \n");
	kill("fuck");
	return 0;
}

引用头文件库符号区别 : #include"kill.h" #include<kill.h> ;

-- #include "kill.h" : 先在当前目录搜索 kill.h 头文件, 在到系统中搜索该头文件;

-- #include <kill.h> : 直接去系统库中寻找头文件, 不会搜索当前目录;

编译文件 : 使用 gcc -Wall main.c kill.c -o kill 进行编译;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc -Wall main.c kill.c -o kill
octopus@octopus:~/gcc$ ./kill
Hello World!
fuck

3. 独立编译文件

开发需求 : 当一个项目比较大的时候, 整个项目编译时间会很长, 如果改变一个函数就需要重新编译整个项目, 就会很浪费时间;

-- 解决方案 : 程序被存储在多个源文件中, 每个源文件都单独进行编译;

单独编译多个源文件步骤 :  首先生成 对象文件, 再将对象文件链接生成可执行文件;

-- 编译对象文件 : 将源程序编译成不可执行的文件, 生成 .o 后缀的对象文件;

-- 链接程序 : gcc 中有一个链接器将所有的对象文件链接到一起, 生成一个可执行文件;

解析对象文件 : 文件中存放的是机器码, 机器码中对其他文件中的 函数 或者 变量引用的地址没有解析, 当链接程序的时候才将这些地址写入;

生成对象文件 : -c 参数用于生成 对象文件;

-- 生成kill.o对象文件 : gcc -Wall -c kill.c , 会生成 kill.o 文件, 该对象文件中引用 kill 方法, 该方法对应的地址没有被解析;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc -Wall -c kill.c
octopus@octopus:~/gcc$ ls
kill.c  kill.h  kill.o  main.c

-- 生成 main.o对象文件 : gcc -Wall -c mian.c, 生成 main.o 文件;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc -Wall -c main.c
octopus@octopus:~/gcc$ ls
kill.c  kill.h  kill.o  main.c  main.o

链接对象文件 : gcc main.o kill.o -o main 命令, 链接 main.o 和 kill.o 两个对象文件;

-- 不许要-Wall参数 : 链接程序只有两种结果, 成功 或者 失败, 不许要警告信息了;

-- 链接器 : gcc中ld链接器 用来链接对象文件;

octopus@octopus:~/gcc$ gcc main.o kill.o -o main
octopus@octopus:~/gcc$ ./main
Hello World!
fuck 

对象文件的链接次序 : 大部分编译器都可以随意排列顺序, 但是有的编译器需要注意链接次序;

-- 编译器和连接器次序 : 编译器和链接器搜索外部函数 是 从左到右进行查找;

-- 文件次序 : 调用函数的 对象文件, 该文件应该先于 定义函数的 对象文件, 这里 main.o 应该在 kill.o 之前;

-- 错误排查 : 如果在编译程序的时候, 列出了所有的文件, 但是还出现了 未定义 错误, 就需要注意 文件排列的问题;

修改文件流程 ： 当修改了一个文件之后， 只需要 重新编译这个文件即可， 之后将这个新编译的对象文件 与 原来的对象文件进行链接， 即可生成新的可执行文件；

-- 重新编译 ： 当修改了一个文件之后， 只需要将这个文件重新编译成 对象文件即可；

-- 重新链接 ： 将新编译的对象文件， 与之前已经编译好的 其它源文件的对象文件进行链接即可；

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