gcc 命令详解及最佳实践

Posted 2021-06-27 阿基米东

介绍

GCC（英文全拼：GNU Compiler Collection）是 GNU 工具链的主要组成部分，是一套以 GPL 和 LGPL 许可证发布的程序语言编译器自由软件，由 Richard Stallman 于 1985 年开始开发。

GCC 原名为 GNU C语言编译器，因为它原本只能处理 C 语言，但如今的 GCC 不仅可以编译 C、C++ 和 Objective-C，还可以通过不同的前端模块支持各种语言，包括 Java、Fortran、Ada、Pascal、Go 和 D 语言等等。

编译过程

GCC 的编译过程可以划分为四个阶段：预处理（Pre-Processing）、编译（Compiling）、汇编（Assembling）以及链接（Linking）。

Linux 程序员可以根据自己的需要控制 GCC 的编译阶段，以便检查或使用编译器在该阶段的输出信息，帮助调试和优化程序。以 C 语言为例，从源文件的编译到可执行文件的运行，整个过程大致如下。

各文件后缀说明如下：

后缀	描述	后缀	描述
.c	C 源文件	.s/.S	汇编语言源文件
.C/.cc/.cxx/.cpp	C++ 源文件	.o/.obj	目标文件
.h	C/C++ 头文件	.a/.lib	静态库
.i/.ii	经过预处理的 C/C++ 文件	.so/.dll	动态库

语法

gcc [options] file...

选项

• -pass-exit-codes ：从一个阶段以最高错误代码退出。
• --target-help ：显示特定于目标的命令行选项。
• --help={common|optimizers|params|target|warnings|[^]{joined|separate|undocumented}}[,...] ：显示特定类型的命令行选项（使用 -v --help 显示子进程的命令行选项）。
• -dumpspecs ：显示所有内置规范字符串。
• -dumpversion ：显示编译器的版本。
• -dumpmachine ：显示编译器的目标处理器。
• -print-search-dirs ：显示编译器搜索路径中的目录。
• -print-libgcc-file-name ：显示编译器配套库的名称。
• -print-file-name=<lib> ：显示库 <lib> 的完整路径。
• -print-prog-name=<prog> ：显示编译器组件 <prog> 的完整路径。
• -print-multiarch ：显示目标的规范化 GNU 三元组，用作库路径中的一个组件。
• -print-multi-directory ：显示 libgcc 版本的根目录。
• -print-multi-lib ：显示命令行选项和多个库搜索目录之间的映射。
• -print-multi-os-directory ：显示操作系统库的相对路径。
• -print-sysroot ：显示目标库目录。
• -print-sysroot-headers-suffix ：显示用于查找标题的 sysroot 后缀。
• -Wa,<options> ：将逗号分隔的 <options> 传递给汇编器（assembler）。
• -Wp,<options> ：将逗号分隔的 <options> 传递给预处理器（preprocessor）。
• -Wl,<options> ：将逗号分隔的 <options> 传递给链接器（linker）。
• -Xassembler <arg> ：将 <arg> 传递给汇编器（assembler）。
• -Xpreprocessor <arg> ：将 <arg> 传递给预处理器（preprocessor）。
• -Xlinker <arg> ：将 <arg> 传递给链接器（linker）。
• -save-temps ：不用删除中间文件。
• -save-temps=<arg> ：不用删除指定的中间文件。
• -no-canonical-prefixes ：在构建其他 gcc 组件的相对前缀时，不要规范化路径。
• -pipe ：使用管道而不是中间文件。
• -time ：为每个子流程的执行计时。
• -specs=<file> ：使用 <file> 的内容覆盖内置规范。
• -std=<standard> ：假设输入源为 <standard>。
• --sysroot=<directory> ：使用 <directory> 作为头文件和库的根目录。
• -B <directory> ：将 <directory> 添加到编译器的搜索路径。
• -v ：显示编译器调用的程序。
• -### ：与 -v 类似，但引用的选项和命令不执行。
• -E ：仅执行预处理（不要编译、汇编或链接）。
• -S ：只编译（不汇编或链接）。
• -c ：编译和汇编，但不链接。
• -o <file> ：指定输出文件。
• -pie ：创建一个动态链接、位置无关的可执行文件。
• -I ：指定头文件的包含路径。
• -L ：指定链接库的包含路径。
• -shared ：创建共享库/动态库。
• -static ：使用静态链接。
• --help ：显示帮助信息。
• --version ：显示编译器版本信息。

示例

阶段编译

假设有文件 hello.c，内容如下：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\\n");
    return 0;
}

编译 hello.c，默认输出 a.out

gcc hello.c

编译 hello.c 并指定输出文件为 hello

gcc hello.c -o hello

只执行预处理，输出 hello.i 源文件

gcc -E hello.c -o hello.i

只执行预处理和编译，输出 hello.s 汇编文件

gcc -S hello.c

也可以由 hello.i 文件生成 hello.s 汇编文件

gcc -S hello.i -o hello.s

只执行预处理、编译和汇编，输出 hello.o 目标文件

gcc -c hello.c

也可以由 hello.i 或 hello.s 生成目标文件 hello.o

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

由 hello.o 目标文件链接成可执行文件 hello

gcc hello.o -o hello

使用静态库

创建一个 foo.c 文件，内容如下：

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
    printf("Here is a static library\\n");
}

将 foo.c 编译成静态库 libfoo.a

gcc -c foo.c             # 生成 foo.o 目标文件
ar rcs libfoo.a foo.o    # 生成 libfoo.a 静态库

查看文件描述

$ file *
foo.c:    C source, ASCII text
foo.o:    ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped
libfoo.a: current ar archive

修改 hello.c 文件，调用 foo 函数

#include <stdio.h>

void foo(void);

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\\n");
    foo();
    return 0;
}

编译 hello.c 并链接静态库 libfoo.a（加上 -static 选项）

gcc hello.c -static libfoo.a -o hello

也可以使用 -L 指定库的搜索路径，并使用 -l 指定库名

gcc hello.c -static -L. -lfoo -o hello

运行结果

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a static library

查看 hello 文件描述

$ file hello
hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=b72236c2211dd8f0c3003bc02ad5e70bb2354e8c, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped

使用共享库

修改 foo.c 文件，内容如下：

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
    printf("Here is a shared library\\n");
}

将其编译为动态库/共享库（由于动态库可以被多个进程共享加载，所以需要使用 -fPIC 选项生成位置无关的代码

gcc foo.c -shared -fPIC -o libfoo.so

hello.c 代码无需修改，内容仍然如下：

#include <stdio.h>

void foo(void);

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\\n");
    foo();
    return 0;
}

编译 hello.c 并链接共享库 libfoo.so

gcc hello.c libfoo.so -o hello

也可以使用 -L 和 -l 选项指定库的路径和名称

gcc hello.c -L. -lfoo -o hello

但是此时运行 hello 程序失败

$ ./hello
./hello: error while loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared object file: No such file or directory

原因是找不到 libfoo.so 共享库

$ ldd hello
        linux-vdso.so.1 (0x00007fff5276d000)
        libfoo.so => not found
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fcc90fa7000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fcc911bd000)

这是因为 libfoo.so 并不在 Linux 系统的默认搜索目录中，解决办法是我们主动告诉系统，libfoo.so 共享库在哪里。

方式一：设置环境变量 LD_LIBRARY_PATH

export LD_LIBRARY_PATH=$(pwd)

将 libfoo.so 所在的当前目录添加到 LD_LIBRARY_PATH 变量，再次执行 hello

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a shared library

方式二：使用 rpath 将共享库位置嵌入到程序

gcc hello.c -L. -lfoo -Wl,-rpath=`pwd` -o hello

rpath 即 run path，是种可以将共享库位置嵌入程序中的方法，从而不用依赖于默认位置和环境变量。这里在链接时使用 -Wl,-rpath=/path/to/yours 选项，-Wl 会发送以逗号分隔的选项到链接器，注意逗号分隔符后面没有空格哦。

这种方式要求共享库必须有一个固定的安装路径，欠缺灵活性，不过如果设置了 LD_LIBRARY_PATH，程序加载时也是会到相应路径寻找共享库的。

方式三：将 libfoo.so 共享库添加到系统路径

sudo cp libfoo.so /usr/lib/

执行程序

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a shared library

如果 hello 程序仍然运行失败，请尝试执行 ldconfig 命令更新共享库的缓存列表。

此时，再次查看 hello 程序的共享库依赖

$ ldd hello
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffecfbb1000)
        libfoo.so => /lib/libfoo.so (0x00007f3f3f1ad000)
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f3f3efbb000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f3f3f1d6000)

可以看到 libfoo.so 已经被发现了，其中 /lib 是 /usr/lib 目录的软链接。

示例代码可以在 GitHub 找到。

---