GCC 编译详解

Posted 2020-08-05 dsw846

GNU CC(简称为Gcc)是GNU项目中符合ANSI C标准的编译系统，能够编译用C、C++和Object C等语言编写的程序。Gcc不仅功能强大，而且可以编译如C、C++、Object C、Java、Fortran、Pascal、Modula-3和Ada等多种语言，而且Gcc又是一个交叉平台编译器，它能够在当前CPU平台上为多种不同体系结构的硬件平台开发软件，因此尤其适合在嵌入式领域的开发编译。本章中的示例，除非特别注明，否则均采用Gcc版本为4.0.0。

 

GCC入门基础

表3.6 Gcc所支持后缀名解释

后 缀 名	所对应的语言	后 缀 名	所对应的语言
.c	C原始程序	.s/.S	汇编语言原始程序
.C/.cc/.cxx	C++原始程序	.h	预处理文件(头文件)
.m	Objective-C原始程序	.o	目标文件
.i	已经过预处理的C原始程序	.a/.so	编译后的库文件
.ii	已经过预处理的C++原始程序

如本章开头提到的，Gcc的编译流程分为了四个步骤，分别为：

· 预处理(Pre-Processing)

· 编译(Compiling)

· 汇编(Assembling)

· 链接(Linking)

 

下面就具体来查看一下Gcc是如何完成四个步骤的。

首先，有以下hello.c源代码

#include<stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello! This is our embedded world!n");

    return 0;
}

 

(1)预处理阶段

在该阶段，编译器将上述代码中的stdio.h编译进来，并且用户可以使用Gcc的选项”-E”进行查看，该选项的作用是让Gcc在预处理结束后停止编译过程。

注意

Gcc指令的一般格式为：Gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件] 其中，目标文件可缺省，Gcc默认生成可执行的文件，命为：编译文件.out

 

[[email protected] Gcc]# Gcc –E hello.c –o hello.i

在此处，选项”-o”是指目标文件，由表3.6可知，”.i”文件为已经过预处理的C原始程序。以下列出了hello.i文件的部分内容：

typedef int (*__gconv_trans_fct) (struct __gconv_step *,

struct __gconv_step_data *, void *,

__const unsigned char *,

__const unsigned char **,

__const unsigned char *, unsigned char **,

size_t *);

…

# 2 "hello.c" 2

int main()
{
    printf("Hello! This is our embedded world!n");

    return 0;
}

由此可见，Gcc确实进行了预处理，它把”stdio.h”的内容插入到hello.i文件中。

 

(2)编译阶段

接下来进行的是编译阶段，在这个阶段中，Gcc首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，Gcc把代码翻译成汇编语言。用户可以使用”-S”选项来进行查看，该选项仅编译到汇编语言，不进行汇编和链接，生成汇编代码。

[[email protected] Gcc]# Gcc –S hello.i –o hello.s

以下列出了hello.s的内容，可见Gcc已经将其转化为汇编了，感兴趣的读者可以分析一下这一行简单的C语言小程序是如何用汇编代码实现的。

.file "hello.c"

.section .rodata

.align 4

.LC0:

.string"Hello! This is our embedded world!"

.text

.globl main

.type main, @function

main:

pushl ?p

movl %esp, ?p

subl $8, %esp

andl $-16, %esp

movl $0, ?x

addl $15, ?x

addl $15, ?x

shrl $4, ?x

sall $4, ?x

subl ?x, %esp

subl $12, %esp

pushl $.LC0

call puts

addl $16, %esp

movl $0, ?x

leave

ret

.size main, .-main

.ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)"

.section .note.GNU-stack,"",@progbits

 

(3)汇编阶段

汇编阶段是把编译阶段生成的”.s”文件转成目标文件，读者在此可使用选项”-c”就可看到汇编代码已转化为”.o”的二进制目标代码了。如下所示：

[[email protected] Gcc]# Gcc –c hello.s –o hello.o

 

(4)链接阶段

在成功编译之后，就进入了链接阶段。在这里涉及到一个重要的概念：函数库。

读者可以重新查看这个小程序，在这个程序中并没有定义”printf”的函数实现，且在预编译中包含进的”stdio.h”中也只有该函数的声明，而没有定义函数的实现，那么，是在哪里实现”printf”函数的呢？最后的答案是：系统把这些函数实现都被做到名为libc.so.6的库文件中去了，在没有特别指定时，Gcc会到系统默认的搜索路径”/usr/lib”下进行查找，也就是链接到libc.so.6库函数中去，这样就能实现函数”printf”了，而这也就是链接的作用。

函数库一般分为静态库和动态库两种。静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为”.a”。动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为”.so”，如前面所述的libc.so.6就是动态库。Gcc在编译时默认使用动态库。

完成了链接之后，Gcc就可以生成可执行文件，如下所示:

[[email protected] Gcc]# Gcc hello.o –o hello

运行该可执行文件，出现正确的结果如下:

[[email protected] Gcc]# ./hello

Hello! This is our embedded world!

 

Gcc编译选项分析

Gcc有超过100个的可用选项，主要包括总体选项、告警和出错选项、优化选项和体系结构相关选项。以下对每一类中最常用的选项进行讲解。

(1)总体选项

Gcc的总结选项如表3.7所示，很多在前面的示例中已经有所涉及。

表3.7 Gcc总体选项列表

后缀名	所对应的语言
-c	只是编译不链接，生成目标文件“.o”
-S	只是编译不汇编，生成汇编代码
-E	只进行预编译，不做其他处理
-g	在可执行程序中包含标准调试信息
-o file	把输出文件输出到file里
-v	打印出编译器内部编译各过程的命令行信息和编译器的版本
-I dir	在头文件的搜索路径列表中添加dir目录
-L dir	在库文件的搜索路径列表中添加dir目录
-static	链接静态库
-llibrary	连接名为library的库文件

 

对于“-c”、“-E”、“-o”、“-S”选项在前一小节中已经讲解了其使用方法，在此主要讲解另外两个非常常用的库依赖选项“-I dir”和“-L dir”。

· “-I dir”

正如上表中所述，“-I dir”选项可以在头文件的搜索路径列表中添加dir目录。由于Linux中头文件都默认放到了“/usr/include/”目录下，因此，当用户希望添加放置在其他位置的头文件时，就可以通过“-I dir”选项来指定，这样，Gcc就会到相应的位置查找对应的目录。

比如在“/root/workplace/Gcc”下有两个文件：

#include<my.h>

int main()
{
    printf(“Hello!!n”);

    return 0;
}

#include<stdio.h>

这样，就可在Gcc命令行中加入“-I”选项：

[[email protected] Gcc] Gcc hello1.c –I /root/workplace/Gcc/ -o hello1

这样，Gcc就能够执行出正确结果。

 

小知识	在include语句中，“<>”表示在标准路径中搜索头文件，““””表示在本目录中搜索。故在上例中，可把hello1.c的“#include<my.h>”改为“#include “my.h””，就不需要加上“-I”选项了。

 

· “-L dir”

选项“-L dir”的功能与“-I dir”类似，能够在库文件的搜索路径列表中添加dir目录。例如有程序hello_sq.c需要用到目录“/root/workplace/Gcc/lib”下的一个动态库libsunq.so，则只需键入如下命令即可：

[[email protected] Gcc] Gcc hello_sq.c –L /root/workplace/Gcc/lib –lsunq –o hello_sq

需要注意的是，“-I dir”和“-L dir”都只是指定了路径，而没有指定文件，因此不能在路径中包含文件名。

另外值得详细解释一下的是“-l”选项，它指示Gcc去连接库文件libsunq.so。由于在Linux下的库文件命名时有一个规定：必须以lib三个字母开头。因此在用-l选项指定链接的库文件名时可以省去lib三个字母。也就是说Gcc在对”-lsunq”进行处理时，会自动去链接名为libsunq.so的文件。

(2)告警和出错选项

Gcc的告警和出错选项如表3.8所示。

表3.8 Gcc总体选项列表

选项	含义
-ansi	支持符合ANSI标准的C程序
-pedantic	允许发出ANSI C标准所列的全部警告信息
选项	含义
-pedantic-error	允许发出ANSI C标准所列的全部错误信息
-w	关闭所有告警
-Wall	允许发出Gcc提供的所有有用的报警信息
-werror	把所有的告警信息转化为错误信息，并在告警发生时终止编译过程

 

下面结合实例对这几个告警和出错选项进行简单的讲解。

如有以下程序段：

#include<stdio.h>

void main()
{
    long long tmp = 1;

    printf(“This is a bad code!n”);

    return 0;
}

这是一个很糟糕的程序，读者可以考虑一下有哪些问题？

 

· “-ansi”

该选项强制Gcc生成标准语法所要求的告警信息，尽管这还并不能保证所有没有警告的程序都是符合ANSI C标准的。运行结果如下所示：

[[email protected] Gcc]# Gcc –ansi warning.c –o warning

warning.c: 在函数“main”中：

warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，“return”带返回值

warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”

=====>可以看出，该选项并没有发现”long long”这个无效数据类型的错误。

 

· “-pedantic”

允许发出ANSI C标准所列的全部警告信息，同样也保证所有没有警告的程序都是符合ANSI C标准的。其运行结果如下所示：

[[email protected] Gcc]# Gcc –pedantic warning.c –o warning

warning.c: 在函数“main”中：

warning.c:5 警告：ISO C90不支持“long long”

warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，“return”带返回值

warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”

=====>可以看出，使用该选项查看出了”long long”这个无效数据类型的错误。

 

· “-Wall”

允许发出Gcc能够提供的所有有用的报警信息。该选项的运行结果如下所示：

[[email protected] Gcc]# Gcc –Wall warning.c –o warning

warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”

warning.c: 在函数”main”中：

warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，”return”带返回值

warning.c:5 警告：未使用的变量“tmp”

=====>使用“-Wall”选项找出了未使用的变量tmp，但它并没有找出无效数据类型的错误。

 

.“-Wshadow”
当局部变量遮蔽(shadow)了参数、全局变量或者是其他局部变量时，该警告选项会给我们以警告信息。

另外，Gcc还可以利用选项对单独的常见错误分别指定警告，有关具体选项的含义感兴趣的读者可以查看Gcc手册进行学习。

 

.“-Wcomment”
当‘/*‘出现在 ‘/* ... */‘注释中，或者‘\‘出现在‘// ...‘注释结尾处时，使用-Wcomment会给出警告。

#include <stdio.h>

int main()
{
   int      a        = 1;
   int      b        = 2;
   int      c        = 0; // ok just test\
   c = a + b;

　　/*
    * 这里我们期待c = 3
    * /* 但实际上输出c = 0
    */
    printf("the c is %d\n", c);
    return 0;
}

[[email protected] Gcc]# Gcc –Wcomment warning.c –o warning

输出：
the c is 0

 

(3)优化选项

Gcc可以对代码进行优化，它通过编译选项“-On”来控制优化代码的生成，其中n是一个代表优化级别的整数。对于不同版本的Gcc来讲，n的取值范围及其对应的优化效果可能并不完全相同，比较典型的范围是从0变化到2或3。

不同的优化级别对应不同的优化处理工作。如使用优化选项“-O”主要进行线程跳转(Thread Jump)和延迟退栈(Deferred Stack Pops)两种优化。使用优化选项“-O2”除了完成所有“-O1”级别的优化之外，同时还要进行一些额外的调整工作，如处理器指令调度等。选项“-O3”则还包括循环展开和其他一些与处理器特性相关的优化工作。

虽然优化选项可以加速代码的运行速度，但对于调试而言将是一个很大的挑战。因为代码在经过优化之后，原先在源程序中声明和使用的变量很可能不再使用，控制流也可能会突然跳转到意外的地方，循环语句也有可能因为循环展开而变得到处都有，所有这些对调试来讲都将是一场噩梦。所以笔者建议在调试的时候最好不使用任何优化选项，只有当程序在最终发行的时候才考虑对其进行优化。

 

(4)体系结构相关选项

Gcc的体系结构相关选项如表3.9所示。

表3.9Gcc体系结构相关选项列表

选项	含义
-mcpu=type	针对不同的CPU使用相应的CPU指令。可选择的type有i386、i486、pentium及i686等
-mieee-fp	使用IEEE标准进行浮点数的比较
-mno-ieee-fp	不使用IEEE标准进行浮点数的比较
-msoft-float	输出包含浮点库调用的目标代码
-mshort	把int类型作为16位处理，相当于short int
-mrtd	强行将函数参数个数固定的函数用ret NUM返回，节省调用函数的一条指令

这些体系结构相关选项在嵌入式的设计中会有较多的应用，读者需根据不同体系结构将对应的选项进行组合处理。在本书后面涉及到具体实例会有针对性的讲解。