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GCC 编译详解
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 |
[root@localhost 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" 2int 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。
[root@localhost 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, @functionmain:pushl ?pmovl %esp, ?psubl $8, %espandl $-16, %espmovl $0, ?xaddl $15, ?xaddl $15, ?xshrl $4, ?xsall $4, ?xsubl ?x, %espsubl $12, %esppushl $.LC0call putsaddl $16, %espmovl $0, ?xleaveret.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:
[root@localhost 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:
[root@localhost Gcc]# Gcc hello.o –o hello
运行该可执行文件,出现正确的结果如下:
[root@localhost 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:
[root@localhost 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:
[root@localhost 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:
[root@localhost 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:
[root@localhost 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:
[root@localhost 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;}
[root@localhost 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。
GCC 编译详解