1.GCC编译器的使用
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。
1.1 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。
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。
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)。
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xxxx-as(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。
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。
通过不同的gcc选项可以控制这些过程:
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,本文也依惯例使用“编译”这个统称。
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
book@100ask:~$ gcc -o hello1111 hello1111.c book@100ask:~$ ./hello1111 Hello World MAX = 20,MIN = 10,MAX + MIN = 30 book@100ask:~$ gcc -o hello1111 hello1111.c -v //加上.v查看详细编写内容 Using built-in specs. COLLECT_GCC=gcc COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1 Target: x86_64-linux-gnu Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-7/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-7 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --with-target-system-zlib --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu Thread model: posix gcc version 7.5.0 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello1111' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello1111.c -quiet -dumpbase hello1111.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase hello1111 -version -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -o /tmp/cc9ev81Y.s //cc1命令让 .c文件变成.s 预处理加编译 GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu" ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../x86_64-linux-gnu/include" #include "..." search starts here: #include <...> search starts here: //查找目录 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include /usr/local/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include-fixed /usr/include/x86_64-linux-gnu /usr/include End of search list. GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 Compiler executable checksum: b62ed4a2880cd4159476ea8293b72fa8 COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello1111' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' as -v --64 -o /tmp/ccydqwKK.o /tmp/cc9ev81Y.s GNU assembler version 2.30 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30 COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/ LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../:/lib/:/usr/lib/ COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello1111' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccScgHvw.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o hello1111 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../.. /tmp/ccydqwKK.o -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state -lc -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o // as 命令直接让.s 变成 .o 汇编 上面有一个collect2命令把一系列的.o转换成app COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello1111' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
可以看到很多输出结果,我们把其中的主要信息摘出来:
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 ....
可以手工执行以下命令体验一下:
gcc -E -o hello.i hello.c//只预处理 gcc -S -o hello.s hello.i//编译--》汇编码 gcc -c -o hello.o hello.s//汇编 不链接 gcc -o hello hello.o//不加任何参数 把各种.o文件链接成一个app文件
日常生活中用编译表示前三个步骤。
如果写入一个错误,是在预处理发现错误还是编译过程中发现错误,这就可以用以上的命令来解决找出问题。
1.2 常用编译选项
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
图片里面输入了命令:
gcc -o test main.c sub.c
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,相当于下面的命令:
$ 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!
book@100ask:~/01_all_series_quickstart/04_嵌入式Linux应用开发基础知识/source/02_options/02_multi_files$ gcc -o test main.c sub.c -v Using built-in specs. COLLECT_GCC=gcc COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1 Target: x86_64-linux-gnu Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-7/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-7 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --with-target-system-zlib --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu Thread model: posix gcc version 7.5.0 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu main.c -quiet -dumpbase main.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase main -version -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -o /tmp/ccEildtV.s //cc1 GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu" ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../x86_64-linux-gnu/include" #include "..." search starts here: //当前目录下 #include <...> search starts here: //指定目录下 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include /usr/local/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include-fixed /usr/include/x86_64-linux-gnu /usr/include End of search list. GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 Compiler executable checksum: b62ed4a2880cd4159476ea8293b72fa8 COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' as -v --64 -o /tmp/ccPhTRuN.o /tmp/ccEildtV.s GNU assembler version 2.30 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30 COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu sub.c -quiet -dumpbase sub.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase sub -version -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -o /tmp/ccEildtV.s //cc1 GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu" ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../x86_64-linux-gnu/include" #include "..." search starts here: //"..."在当前目录下调用头文件 #include <...> search starts here: //"" /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include /usr/local/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include-fixed /usr/include/x86_64-linux-gnu /usr/include End of search list. GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu) compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072 Compiler executable checksum: b62ed4a2880cd4159476ea8293b72fa8 sub.c: In function ‘sub_fun’: sub.c:3:8: warning: implicit declaration of function ‘printf’ [-Wimplicit-function-declaration] printf("Sub fun!\n"); ^~~~~~ sub.c:3:8: warning: incompatible implicit declaration of built-in function ‘printf’ sub.c:3:8: note: include ‘<stdio.h>’ or provide a declaration of ‘printf’ COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' as -v --64 -o /tmp/ccMLCBDF.o /tmp/ccEildtV.s //as GNU assembler version 2.30 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30 COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/ LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../:/lib/:/usr/lib/ COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/cciToLNx.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o test /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../.. /tmp/ccPhTRuN.o /tmp/ccMLCBDF.o -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state -lc -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o //collect2 COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'test' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
在执行gcc -o test main.c sub.c的时候,是main.c执行一遍编译(内含有具体三个步骤),sub.c执行一遍编译。两者链接后成为一个新的test文件。假设此时有1000个文件一起gcc,当有一个文件出现错误修改后,重新编译,这时候又是1000多个文件一起重新编译。这样大大的浪费了资源。想办法将其分开,
$ gcc -c -o main.o main.c $ gcc -c -o sub.o sub.c $ gcc -o test main.o sub.o
现在了解了-c:预处理,编译,汇编,但是不链接。
-I 指定目录下寻找头文件。
-L:指定链接时库文件的目录
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
gcc使用示例:
gcc hello.c // 输出一个名为a.out的可执行程序,然后可以执行./a.out gcc -o hello hello.c // 输出名为hello的可执行程序,然后可以执行./hello gcc -o hello hello.c -static // 静态链接 gcc -c -o hello.o hello.c // 先编译(不链接) gcc -o hello hello.o // 再链接
以一个程序为例,它包含三个文件,
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。
在学习时,我们暂时只需要了解下表中的选项。
-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
-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。
-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。
-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。
-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。
-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。