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GCC 编译器的使用

视频观看地址:https://www.100ask.net/detail/p_5f338ae3e4b075dc42ad44a1/8

全文下载: 嵌入式Linux系统开发完全手册 第二版

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 配套视频内容大纲

2.1.1 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。

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。

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 ....

2.1.2 常用编译选项

在学习时,我们暂时只需要了解下表中的选项。

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

2.1.3 怎么编译多个文件

① 一起编译、链接:

gcc -o test main.c sub.c

② 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

2.1.4 制作、使用动态库

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 (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/

运行: ① 先把 libusb.so 放到 PC 或板子上的/lib 目录,然后就可以运行 test 程序。 ② 如果不想把 libusb.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

2.1.5 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 (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-linux-gnueabihf-gcc -c -o sub.o sub.c 交叉编译需要在最后面加上 -fPIC 参数。

2.1.6 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

我们的视频会配套写成书:《嵌入式 Linux 应用开发完全手册 升级版》。下面的资料会写进书里,我会写得详细一点。

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。

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。

(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)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)。

(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 xxxxas(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。

(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。

可以通过各种选项来控制 gcc 的动作,下面介绍一些常用的选项。

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

2.3 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。

(2)-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。

(3)-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。

(4)-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。

(5)-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)

(1)-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)

(1)-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。

(2)-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。

(3)-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。

(4)-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。

(2)-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-redhatlinux/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)。

(3)-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 -dynamiclinker 
/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。

(4)-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 -dynamiclinker /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。

(5)-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。

(6)-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

(7)-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。

(8)-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,’。

(9)-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。

(2)-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 '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。

(3)-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

(4)-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。

-end-

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