GCC编译器入门

读了一本介绍GCC的书《An Introduction to GCC》，这里记录一下关于GCC的功能和用法。

1. 概念

GCC（GNU C Compiler）早期是专为C语言而开发的编译器自由软件，后来加入了C++语言的支持，再后来增加了大量其他语言的支持，包括Fortran，Object-C，Java等，因此GCC这个词的涵义升级为GNU Compiler Collection。

GCC诞生于1987年，今天已有30岁高龄。

2. gcc.exe的用法

gcc.exe是GCC套件中的C语言编译器，它能够编译、调试和链接源代码并输出可执行文件。

2.1 基础用法

最简单的用法为：

gcc main.c

在命令行提示符窗口中输入这条命令，将编译main.c代码并生成一个可执行文件a.exe。

这里假设main.c中的内容是：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

那么在命令行中输入a.exe即可运行并打印出“Hello World!”字样。

2.2 显示警告

-Wall（Warning all）参数可以显示出编译过程中遇到的警告信息。

将上述编译命令改成

gcc -Wall main.c

此时如果源代码中有不合理的代码，则会在编译过程显示警告信息。这些警告信息包括：嵌套块注释，printf等函数的格式参数不匹配，未被使用的变量，隐式声明，返回值不匹配。

推荐所有的编译过程都使用-Wall参数。

2.3 指定输出文件

默认的输出文件名为a.exe，使用-o（output）指令可以输出指定输出文件的文件名：

gcc -Wall main.c -o main.exe

这样就能够生成main.exe而不是a.exe

2.4 编译多文件项目

假如项目中存在多个源文件，比如main.c中调用了hello.c的头文件hello.h，使用了它的函数SayHello()。

那么在命令行中执行：

gcc -Wall main.c hello.c -o main.exe

就能够正确的编译这个项目。

2.5 分步编译

-c（compile）参数用于将源代码文件编译成.o对象文件，然后再将所有的对象文件链接成可执行文件。

gcc -Wall -c main.c hello.c

输出main.o和hello.o两个对象文件。对象文件是二进制文件，不能直接使用文本编辑器读取。

命令行中main.c和hello.c的先后顺序不可颠倒。

利用这些对象文件，可以生成最终的可执行文件：

gcc main.o hello.o -o main.exe

2.6 Makefile

当项目中文件比较多，而这时更改了hello.c，希望只重新编译该文件，而不是重新编译整个项目，使用2.5中的命令行将会异常繁琐。

Makefile使用脚本的方式，将2.5中的编译过程列举出来并依次执行。

2.5中的两行命令可以用Makefile表达：

CC=gcc
CFLAGS=-Wall
main:main.o hello.o

clean:
    del /f main.exe main.o hello.o

第一行CC（C Compiler）表示C编译器类型，第二行CFLAGS表示参数开关，第三行表示输出文件是main.exe，依赖文件为main.o和hello.o，这两个文件会自动从对应的.c文件中编译生成。最后的clean是一个make.exe的命令函数。注意，最后一行del前需要是一个Tab，而不是空格。

将文件保存在当前目录下，文件名为Makefile，没有扩展名，在命令行中执行：

make

即运行make命令，不带任何参数，将会自动读取当前目录下的Makefile并执行内容。执行完毕将生成main.exe文件。

还可以执行Makefile中设定的clean函数：

make clean

则自动执行删除main.exe, main.o和hello.o文件的操作。

现代的IDE都会使用Makefile来编译项目文件。

2.7 链接外部库

假如使用的是MinGW版本的GCC，自带的库文件通常放在：\MinGW32\lib或\MinGW32\lib32目录下。

观察其中的库名称，会发现所有的库文件名都以lib作为前缀，扩展名为.a。

假如源代码中使用了math.h库，这个数学库需要调用标准库libm.a文件，则需要在命令行中指明：

gcc -Wall main.c -lm -o main.exe

这里的-lm要拆开理解，-l（Library）表示链接外部库，m表示文件libm.a去除了lib前缀和.a扩展名的剩余部分。假如库名字为libABC.a，调用时候就是-lABC。

如果不显式调用库文件，则会造成编译失败。

同时，要注意-lm参数是放在main.c的后面，表示与该文件的调用关系，顺序不能颠倒，位置不能出错。

2.8 库和头文件路径

假如库或者头文件放在其他目录，有两种办法可以通知编译器：

• 将那些目录加入到环境变量
• 中命令行中指定那些目录

命令行中指定头文件目录参数是-I（Include_Path），库目录参数是-L（Library_Path），注意都是大写。

假如main.c调用的头文件中父目录的include目录中，库文件在父目录的lib目录中，那么命令行可以写成：

gcc -Wall -I/../include -L/../lib -lm main.c

2.9 静态库和动态链接库

静态库的后缀是.a，编译时会将其完整的复制到最终的可执行文件中，即静态库最终会成为可执行文件的一部分。

动态链接库后缀是.so（这里仅考虑GNU编译平台，不考虑Windows的DLL），仅在执行前将库文件中需要的那部分代码加载到系统内存中，执行结束则释放，是一个动态的链接过程。这部分内存代码，可以共享给多个不同程序使用，所以也叫共享库。

动态链接库可以让程序体积减小，如果更新库本身，只要接口维持不变，则不会影响应用程序。

如果平台针对一个功能同时提供静态库和动态链接库，那么编译器会优先使用动态链接库。

动态链接库的使用方法与静态链接库相同。（此处存疑，因为书中介绍不甚清楚。）

2.10 指定标准

C语言有C89，C99，有ANSI纯净版和GNU扩展版，各个版本略有不同。

-std（standard）参数可以指定C语言标准版本：

gcc -Wall -std=gnu99 main.c

2.11 宏开关

假设代码中使用了宏开关：

#ifdef ON
{//xxxxxx}
#end

-D 参数可以可以指定这个ON宏：

gcc -Wall -DON main.c

这等同于在代码中使用：

#define ON

2.12 宏参数

假设代码中使用了宏参数：

#if OPEN==1
{//xxxxxx}
#endif

仍然在命令行中使用-D参数：

gcc -Wall -DOPEN=1 main.c

这等同于执行代码：

#define OPEN (1)

如果希望OPEN等于空，那么可以使用双引号进行包裹空字符：

-DOPEN=""

3. gdb.exe的用法

gdb是C语言调试工具。在生成了main.exe之后，执行：

gdb main.exe

这样就打开了gdb的子环境。在这个子环境中，q表示退出，在任何时候输入q字母并回车，就退出gdb环境。

• 在gdb中输入file main，表示读取main.exe程序中的符号列表。
• 运行run命令，将开始执行main.exe。
• 假如main中有一些全局变量，则可以使用print xxx来打印出来。
• 使用break 函数名来设置断点，然后step表示单步执行。

跟常用的IDE上的调试功能一致。

gdb的使用值得使用一本书来介绍，这里点到为止。

4. 代码优化

4.1 基本手段

代码层面的优化包括：

• 表达式消除
• 函数内联化
• 循环展开
• 指令调度

比如在代码中用到的加减乘除运算，在编译器会直接得到结果再进行编译，这样就减少了可执行程序的运算步骤。

一个”小“函数，如果频繁的被调用，则将其内联到具体的调用者体内。

所谓循环展开是指将某些赋值循环展开成扁平的赋值操作。因为一个循环，必然存在检测退出机制，而大多检测操作是无用的操作，所以展开后能够减少指令数。

指令调度则是重新排列指令顺序，以加快执行速度。

4.2 优化选项

上述的一些优化措施，已经集成到了gcc内部，以-o（Optimize）参数形式提供：

• -o0
• -o1
• -o2
• -o3
• -os

-o0表示没有任何优化，等同于不使用该参数。适合调试时候使用。

-o1清除代码层面上的冗余，未做深入优化。这个是最常用的优化级别。

-o2使用了指令调度优化，它没有增加最终文件的大小，却提高了速度，所以适合做程序发布时候的优化项。

-o3使用了较多技术，增加了最终程序的大小，带来了速度上的提升。这种优化项有时候可能不稳定。

-os专为为减小最终程序大小而做的优化项。

书中举了一个例子（链接），在函数中做大量、复杂的数学运算。如果不做优化，程序执行时间为13秒，不同的优化选项能带来不同的提升，-o3选项下，程序执行时间减小到5.4秒，改善比较可观。

5. 汇编文件

使用cpp.exe可以将源代码文件进行预处理，生成.i文件。

cpp main.c > main.i

这个main.i文件可以进一步转成汇编文件：

gcc -Wall -S main.i

在当前目录下将生成main.s文件，使用编辑器打开可以看到汇编代码。

进一步可以使用as.exe将汇编文件打包成对象文件：

as main.s -o main.o

然后使用链接器ld.exe生成可执行文件，但是ld命令的参数比较复杂，通常直接利用gcc把这些事情给做了。

6. 其他功能

6.1 输出符号列表

nm.exe可以输出可执行文件的符号表：

nm main.exe > main.map

输出的map文件包含了各个符号的存储地址和类型。

6.2 执行时间

gprof.exe可以记录各个函数的调用次数、执行时间等。

gprof main.exe

这个main.exe需要预先使用-pg指令进行处理：

gcc -Wall -pg main.c -o main.exe

可以参考这个示例（链接）进行操作。

6.3 代码执行次数

gcov用于生成测试报告，记录源代码中每一行被执行的次数，如果代码行未被执行，也会被统计出来，所以叫做覆盖性测试。

先生成特殊处理的可执行文件：

gcc -Wall -fprofile-arcs -ftest-coverage main.c

执行main.exe，生成必要的中间文件：

main.exe

然后再使用gcov.exe读取main.c：

gcov main.c

此时观察源代码所在目录，会有一个main.c.gcov的文件，打开它就能够看到各个代码行被执行了多少次。

7. 小结

至此，对gcc的各功能有了概念性的了解，以后再遇到编译器选项、符号表、优化等问题，可以再做深入探究。

这本书是免费书，阅读地址：http://www.network-theory.co.uk/docs/gccintro/index.html

比较喜欢这种100页的书，一两天就读完了，好开心。

（完）