【Linux探索学习】第八弹——Linux工具篇（三）：Linux 中的编译器 GCC 的编译原理和使用详解

GG Bond1

发布于 2024-10-25 08:07:41

19200

代码可运行

文章被收录于专栏：C/C++葵花宝典C/C++葵花宝典

运行总次数：0

代码可运行

Linux下的vim编辑器：【Linux探索学习】第七弹——Linux的工具（二）：Linux下vim编辑器的使用详解-CSDN博客

前言：

在上一篇我们学习了如何在Linux环境下直接用vim编辑器来进行编辑代码，今天我们来学习如何运行我们所编辑的代码，运行代码就需要编译器，也就是我们下文要讲的gcc编译器

提醒：本文是在Ubuntu系统下进行的操作

一、什么是GCC

GCC 是一个开源的编译器，它由 GNU 项目开发，最初只支持 C 语言，后来扩展支持 C++、Fortran、Ada、Objective-C 及其他语言。它是 Linux 和其他 UNIX 系统中最常用的编译器之一。

二、背景知识

在我们正式讲解GCC如何编译及其背后原理之前，我们先来了解一个背景知识，这个在我们之前用VS学习C语言和C++的时候是学过的，那就是——我们所编写的代码是如何经编译器处理一步步生成一个可执行程序并得到执行的？

主要是分四步走：

1. 预处理——预处理功能主要包括宏替换，去注释，条件编译等

2. 编译——生成汇编

3. 汇编——生成机器可识别代码

4. 连接——生成可执行文件或库文件

三、GCC的使用

3.1 安装GCC

在 Ubuntu 系统中，可以使用以下命令安装 GCC：

sudo apt update
sudo apt install build-essential

build-essential 软件包包含了 GCC 及其相关的工具和库。

3.2 基本语法

GCC 的基本语法如下：

gcc [options] [source files] [object files] [libraries]

3.3 使用方法

gcc编译的基本语法就是上面的那种格式，那么具体该如何使用呢？我们通过一个C语言的代码来试一下

我们创建一个C语言文件hello.c

用vim打开，在里面写入这样一段简单代码

#include <stdio.h>

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

写入之后通过以下命令编译该程序：

gcc hello.c -o hello

（hello.c就是我们需要编译的文件，-o是gcc的一个选项，作用是将编译后的可执行文件给定一个文件名，hello就是我们所指定的文件名，编译好后的可执行文件就是这个）

写入后我们用ls查看我们目前所拥有的文件

我们可以发现我们有了一个叫hello的文件，而这个文件正是我们上面的编译命令所生成的可执行文件

上面编译得到的hello可执行程序，可以使用以下命令来运行它：

./hello

运行如下：

四、GCC如何完成编译

上面我们讲了gcc如何进行编译，下面我们就来思考一下，gcc是如何处理的，能让hello.c这样一个C语言文件生成一个可执行程序hello的呢？

这就与我们上面讲到的背景知识有关，gcc编译代码的逻辑也是那四步：

下面是对这四步进行详解：

4.1 预处理

在这个阶段，GCC 处理源代码中的预处理指令。预处理器主要完成以下任务：

宏替换：将定义的宏（如 #define）替换为实际的值。
文件包含：处理 #include 指令，将被包含的文件内容插入到源文件中。
条件编译：根据条件指令（如 #ifdef, #ifndef 等）选择性地编译代码。

预处理的结果是一个扩展名为 .i 的中间文件，包含了所有的宏替换和文件包含后的代码。

gcc -E hello.c -o hello.i

选项-E的作用就是让gcc在预处理结束之后停止编译，.i的中间文件就是原本代码进行预处理之后所得到的中间代码

4.2 编译

在这个阶段，GCC 将预处理后的源代码转换为汇编语言。编译器会将每个源文件解析成相应的汇编指令。此过程包括以下几个步骤：

词法分析：将源代码分解成 tokens（词法单元）。
语法分析：根据语言的语法规则检查语句的正确性。
语义分析：检查程序的语义，例如变量是否已定义、类型是否匹配等。

编译的结果是一个扩展名为 .s 的汇编语言文件。

gcc -S hello.i -o hello.s

4.3 汇编

汇编阶段的任务是将汇编语言代码转换为机器码。GCC 使用汇编器（如 as）将 .s 文件转换为目标文件（.o 文件）。目标文件是二进制格式，包含了机器码和必要的符号信息。

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

4.4 链接

最后一步是链接。链接器（如 ld）将一个或多个目标文件和所需的库文件（如标准库）结合起来，生成最终的可执行文件。链接器的主要任务包括：

符号解析：在目标文件之间解决函数和变量的引用。
地址分配：为代码和数据分配内存地址。

链接的结果是一个可执行的二进制文件，通常以无扩展名或 .out 扩展名表示。

gcc hello.o -o hello

链接是这几步里面最需要讲解的，因为它涉及到一个叫函数库的概念，函数库我们在下面详细讲解吧

GCC 的编译过程可以概括为以下几个步骤：

预处理：处理宏和头文件，生成 .i 文件。
编译：将 .i 文件转换为 .s 汇编文件。
汇编：将 .s 文件转换为 .o 目标文件。
链接：将 .o 文件和库文件链接，生成可执行文件。

五、函数库

在我们代码中，会有printf等函数，我们并没有对它们的实现，而且预编译"stdio.h"中，也只有对它的声明，没有对它的实现，那么这些函数是在哪进行实现的呢？

其实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

我们可以查看路径”usr/lib“中所有的函数：

函数库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

我们用ldd指令可以查看一个可执行程序所依赖的动态库：