一框都、GCC編譯過(guò)程

在使用gcc編譯程序時(shí)，編譯過(guò)程可以細(xì)分為４個(gè)階段：

• 預(yù)處理(Pre-Processing)
• 編譯(Compiling)
• 匯編(Assembling)
• 鏈接(Linking)
  
  編譯過(guò)程

二、使用GCC

查看GCC版本

gcc -v

各個(gè)編譯階段

這里引入一個(gè)例子

// hello.c---------------------------- 
#include <stdio.h>
int main (int argc,char **argv) {
printf("Hello Linux\n");
}

• 編譯這個(gè)程序，只要在命令行下執(zhí)行如下命令：

gcc hello.c -o hello
./hello

• 采用模塊化設(shè)計(jì)中瓜贾，編譯多個(gè)C文件

gcc david.c xueer.c -o davidxueer

• (1)預(yù)編譯
  使用-E參數(shù)可以讓gcc在預(yù)處理結(jié)束后停止編譯過(guò)程：

gcc -E hello.c -o hello.i

此時(shí)若查看hello.i文件中的內(nèi)容，會(huì)發(fā)現(xiàn)stdio.h的內(nèi)容確實(shí)都插到文件里去了携悯，而且被預(yù)處理的宏定義也都作了相應(yīng)的處理祭芦。

# 1 "hello.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "hello.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 1 3 4
# 33 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 424 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
...

• (2)編譯
  編譯過(guò)程通過(guò)詞法和語(yǔ)法分析，確認(rèn)所有指令符合語(yǔ)法規(guī)則(否則報(bào)編譯錯(cuò)),之后翻譯成對(duì)應(yīng)的中間碼憔鬼，在linux中被稱(chēng)為RTL(Register Transfer Language)龟劲，通常是平臺(tái)無(wú)關(guān)的，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為編譯前端轴或。編譯后端對(duì)RTL樹(shù)進(jìn)行裁減昌跌，優(yōu)化，得到在目標(biāo)機(jī)上可執(zhí)行的匯編代碼照雁。gcc采用as作為其匯編器蚕愤，所以匯編碼是AT&T格式的，而不是Intel格式饺蚊，所以在用gcc編譯嵌入式匯編時(shí)审胸，也要采用AT&T格式。
  使用-S命令

gcc -S hello.i -o hello.S

gcc默認(rèn)將.i文件看成是預(yù)處理后的C語(yǔ)言源代碼卸勺，因此上述命令將自動(dòng)跳過(guò)預(yù)處理步驟而開(kāi)始執(zhí)行編譯過(guò)程砂沛。
也可以使用-x參數(shù)讓gcc從指定的步驟開(kāi)始編譯為目標(biāo)代碼。

以下為編譯后的輸出文件hello.s的內(nèi)容

    .file   "hello.c"
    .text
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "hello linux"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    call    puts@PLT
    movl    $0, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 7.3.0-27ubuntu1~18.04) 7.3.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

• (3)匯編
  匯編器是將匯編代碼轉(zhuǎn)變成機(jī)器可以執(zhí)行的命令曙求，每一個(gè)匯編語(yǔ)句幾乎都對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令碍庵。匯編相對(duì)于編譯過(guò)程比較簡(jiǎn)單，根據(jù)匯編指令和機(jī)器指令的對(duì)照表一一翻譯即可悟狱。
  使用-c命令

gcc –c hello.c –o hello.o

• (4)鏈接

gcc hello.o -o hello

鏈接器ld將各個(gè)目標(biāo)文件組裝在一起静浴，解決符號(hào)依賴，庫(kù)依賴關(guān)系挤渐，并生成可執(zhí)行文件苹享。
ld –static crt1.o crti.o crtbeginT.ohello.o –start-group –lgcc –lgcc_eh –lc-end-group crtend.o crtn.o(省略了文件的路徑名)。
當(dāng)然鏈接的時(shí)候還會(huì)用到靜態(tài)鏈接庫(kù)，和動(dòng)態(tài)連接庫(kù)得问。靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)都是.o目標(biāo)文件的集合囤攀。
靜態(tài)庫(kù)是在鏈接過(guò)程中將相關(guān)代碼提取出來(lái)加入可執(zhí)行文件的庫(kù)(即在鏈接的時(shí)候?qū)⒑瘮?shù)的代碼將從其所在地靜態(tài)鏈接庫(kù)中被拷貝到最終的可執(zhí)行程序中)，ar只是將一些別的文件集合到一個(gè)文件中宫纬》倌樱可以打包，當(dāng)然也可以解包漓骚。
ar -v -q test.a test.o
上面指令可以生成靜態(tài)鏈接庫(kù)test.a
動(dòng)態(tài)庫(kù)在鏈接時(shí)只創(chuàng)建一些符號(hào)表蝌衔，而在運(yùn)行的時(shí)候才將有關(guān)庫(kù)的代碼裝入內(nèi)存，映射到運(yùn)行時(shí)相應(yīng)進(jìn)程的虛地址空間蝌蹂。如果出錯(cuò)噩斟，如找不到對(duì)應(yīng)的.so文件，會(huì)在執(zhí)行的時(shí)候報(bào)動(dòng)態(tài)連接錯(cuò)(可用LD_LIBRARY_PATH指定路徑)孤个。用file test.so可以看到test.so是shared object的ELF文件剃允。

gcc -sharedtest.so test.o

上面指令可以生成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)test.so

gcc警告提示功能

• 當(dāng)gcc在編譯不符合ANSI/ISO C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的源代碼時(shí)，如果加上了-pedantic選項(xiàng)硼身，那么使用了擴(kuò)展語(yǔ)法的地方將產(chǎn)生相應(yīng)的警告信息：

gcc -pedantic bad.c -o bad

輸出

bad.c: In function 'main':

bad.c:4: warning: ISO C89 does not support 'long long'

bad.c:3: warning: return type of 'main' is not 'int'

需要注意的是硅急，-pedantic編譯選項(xiàng)并不能保證被編譯程序與ANSI/ISO C標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容，它僅僅用來(lái)幫助Linux程序員離這個(gè)目標(biāo)越來(lái)越近佳遂。換句話說(shuō)营袜，-pedantic選項(xiàng)能夠幫助程序員發(fā)現(xiàn)一些不符合ANSI/ISO C標(biāo)準(zhǔn)的代碼，但不是全部丑罪。事實(shí)上只有ANSI/ISO C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行編譯器診斷的那些問(wèn)題才有可能被gcc發(fā)現(xiàn)并提出警告荚板。

• 除了-pedantic之外，gcc還有一些其他編譯選項(xiàng)也能夠產(chǎn)生有用的警告信息吩屹。這些選項(xiàng)大多以-W開(kāi)頭跪另，其中最有價(jià)值的當(dāng)數(shù)-Wall了，使用它能夠使gcc產(chǎn)生盡可能多的警告信息煤搜。例如：

gcc -Wall bad.c -o bad

輸出

bad.c:3: warning: return type of 'main' is not 'int'

bad.c: In function 'main':

bad.c:4: warning: unused variable 'var'

bad.c:6:2: warning: no newline at end of file

gcc給出的警告信息雖然從嚴(yán)格意義上說(shuō)不能算作是錯(cuò)誤免绿，但很可能成為錯(cuò)誤的棲身之所。一個(gè)優(yōu)秀的Linux程序員應(yīng)該盡量避免產(chǎn)生警告信息擦盾，使自己的代碼始終保持簡(jiǎn)潔嘲驾、優(yōu)美和健壯的特性。

• 在處理警告方面迹卢，另一個(gè)常用的編譯選項(xiàng)是-Werror辽故，它要求gcc將所有的警告當(dāng)成錯(cuò)誤進(jìn)行處理，這在使用自動(dòng)編譯工具(如make等)時(shí)非常有用腐碱。如果編譯時(shí)帶上-Werror選項(xiàng)誊垢，那么gcc會(huì)在所有產(chǎn)生警告的地方停止編譯，迫使程序員對(duì)自己的代碼進(jìn)行修改。只有當(dāng)相應(yīng)的警告信息消除時(shí)喂走，才可能將編譯過(guò)程繼續(xù)朝前推進(jìn)殃饿。

gcc -Werror bad.c -o bad

對(duì)Linux程序員來(lái)講，gcc給出的警告信息是很有價(jià)值的缴啡，它們不僅可以幫助程序員寫(xiě)出更加健壯的程序壁晒，而且還是跟蹤和調(diào)試程序的有力工具瓷们。建議在用gcc編譯源代碼時(shí)始終帶上-Wall選項(xiàng)业栅，并把它逐漸培養(yǎng)成為一種習(xí)慣，這對(duì)找出常見(jiàn)的隱式編程錯(cuò)誤很有幫助谬晕。

gcc代碼優(yōu)化

編譯時(shí)使用選項(xiàng)-O可以告訴gcc同時(shí)減小代碼的長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間碘裕，其效果等價(jià)于-O1。在這一級(jí)別上能夠進(jìn)行的優(yōu)化類(lèi)型雖然取決于目標(biāo)處理器攒钳，但一般都會(huì)包括線程跳轉(zhuǎn)(Thread Jump)和延遲退棧(Deferred Stack Pops)兩種優(yōu)化帮孔。

選項(xiàng)-O2告訴gcc除了完成所有-O1級(jí)別的優(yōu)化之外，同時(shí)還要進(jìn)行一些額外的調(diào)整工作不撑，如處理器指令調(diào)度等文兢。

選項(xiàng)-O3則除了完成所有-O2級(jí)別的優(yōu)化之外，還包括循環(huán)展開(kāi)和其他一些與處理器特性相關(guān)的優(yōu)化工作焕檬。

通常來(lái)說(shuō)姆坚，數(shù)字越大優(yōu)化的等級(jí)越高，同時(shí)也就意味著程序的運(yùn)行速度越快实愚。許多Linux程序員都喜歡使用-O2選項(xiàng)兼呵，因?yàn)樗趦?yōu)化長(zhǎng)度、編譯時(shí)間和代碼大小之間取得了一個(gè)比較理想的平衡點(diǎn)腊敲。

• 借助Linux提供的time命令击喂，可以大致統(tǒng)計(jì)出該程序在運(yùn)行時(shí)所需要的時(shí)間：

$ time ./test

由此可以測(cè)試優(yōu)化后代碼的運(yùn)行性能

優(yōu)化雖然能夠給程序帶來(lái)更好的執(zhí)行性能，但在如下一些場(chǎng)合中應(yīng)該避免優(yōu)化代碼碰辅。

● 程序開(kāi)發(fā)的時(shí)候：優(yōu)化等級(jí)越高懂昂，消耗在編譯上的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此在開(kāi)發(fā)的時(shí)候最好不要使用優(yōu)化選項(xiàng)没宾，只有到軟件發(fā)行或開(kāi)發(fā)結(jié)束的時(shí)候凌彬，才考慮對(duì)最終生成的代碼進(jìn)行優(yōu)化。

● 資源受限的時(shí)候：一些優(yōu)化選項(xiàng)會(huì)增加可執(zhí)行代碼的體積榕吼，如果程序在運(yùn)行時(shí)能夠申請(qǐng)到的內(nèi)存資源非常緊張(如一些實(shí)時(shí)嵌入式設(shè)備)饿序，那就不要對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)橛蛇@帶來(lái)的負(fù)面影響可能會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果羹蚣。

● 跟蹤調(diào)試的時(shí)候：在對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候原探，某些代碼可能會(huì)被刪除或改寫(xiě)，或者為了取得更佳的性能而進(jìn)行重組，從而使跟蹤和調(diào)試變得異常困難咽弦。

加速

在將源代碼變成可執(zhí)行文件的過(guò)程中徒蟆，需要經(jīng)過(guò)許多中間步驟，包含預(yù)處理型型、編譯段审、匯編和連接。這些過(guò)程實(shí)際上是由不同的程序負(fù)責(zé)完成的闹蒜。大多數(shù)情況下gcc可以為L(zhǎng)inux程序員完成所有的后臺(tái)工作寺枉，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)程序進(jìn)行處理。

這樣做有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)绷落，就是gcc在處理每一個(gè)源文件時(shí)姥闪，最終都需要生成好幾個(gè)臨時(shí)文件才能完成相應(yīng)的工作，從而無(wú)形中導(dǎo)致處理速度變慢砌烁。例如筐喳，gcc在處理一個(gè)源文件時(shí)，可能需要一個(gè)臨時(shí)文件來(lái)保存預(yù)處理的輸出函喉，一個(gè)臨時(shí)文件來(lái)保存編譯器的輸出避归，一個(gè)臨時(shí)文件來(lái)保存匯編器的輸出，而讀寫(xiě)這些臨時(shí)文件顯然需要耗費(fèi)一定的時(shí)間管呵。當(dāng)軟件項(xiàng)目變得非常龐大的時(shí)候梳毙，花費(fèi)在這上面的代價(jià)可能會(huì)變得很大。

解決的辦法是撇寞，使用Linux提供的一種更加高效的通信方式——管道顿天。它可以用來(lái)同時(shí)連接兩個(gè)程序，其中一個(gè)程序的輸出將直接作為另一個(gè)程序的輸入蔑担，這樣就可以避免使用臨時(shí)文件牌废，但編譯時(shí)卻需要消耗更多的內(nèi)存。

注意：

在編譯過(guò)程中使用管道是由gcc的-pipe選項(xiàng)決定的啤握。下面的這條命令就是借助gcc的管道功能來(lái)提高編譯速度的：

gcc -pipe david.c -o david

在編譯小型工程時(shí)使用管道鸟缕，編譯時(shí)間上的差異可能還不是很明顯县爬，但在源代碼非常多的大型工程中溉卓，差異將變得非常明顯。

gcc常用選項(xiàng)