【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

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前言：

注意：本文是在Ubuntu系统下进行的操作。

一、什么是GCC GCC是一个由GNU项目开发的开源编译器，最初仅支持C语言，后扩展至C++、Fortran、Ada、Objective-C等多种语言。它是Linux及其他UNIX系统中广泛使用的编译器之一。

二、背景知识 在正式讲解GCC如何编译及其原理前，我们先回顾一个在学习C语言和C++时学过的背景知识：编写的代码如何经过编译器处理，最终生成可执行程序并运行？

主要分为四步：

1. 预处理——包括宏替换、去注释、条件编译等。
2. 编译——生成汇编代码。
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

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 我们通过一个C语言代码示例来演示GCC的使用。首先创建一个C语言文件hello.c：

使用vim打开文件，并写入以下简单代码：

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

写入后，使用以下命令编译该程序：

gcc hello.c -o hello

（hello.c是我们需要编译的文件，-o是gcc的一个选项，用于指定编译后的可执行文件名，此处我们指定为hello）

编译完成后，使用ls命令查看当前目录下的文件：

我们会发现有一个名为hello的文件，这就是通过上述命令生成的可执行文件。

接下来，使用以下命令运行生成的hello可执行程序：

./hello

运行效果如下：

四、GCC如何完成编译 前面我们介绍了如何使用gcc进行编译，现在我们来探讨gcc是如何处理hello.c这样的C语言文件并生成hello可执行程序的。

gcc编译代码的过程也分为四步：

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。

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

gcc -E hello.c -o hello.i

选项-E的作用是让gcc在预处理结束后停止编译，生成的.i文件是经过预处理后的中间代码。

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。

链接结果是一个可执行的二进制文件，通常无扩展名或以.out扩展名表示。

gcc hello.o -o hello

链接是这几步中最需详细讲解的，因为它涉及到函数库的概念，下面我们将详细探讨。

GCC的编译过程可以总结为以下步骤：

• 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 在我们的代码中，可能会使用到如printf等函数，这些函数的实现并没有在代码中，而是在预编译的"stdio.h"中仅有声明。那么这些函数的实现究竟在哪里呢？

实际上，系统将这些函数的实现放置在名为libc.so.6的库文件中。gcc在没有特别指定时，会在系统默认的搜索路径“/usr/lib”中查找，并链接到libc.so.6库函数中，从而实现如printf这样的函数。这就是链接的作用。

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。我们可以使用ldd指令查看一个可执行程序所依赖的动态库：

gcc在编译时默认使用动态链接，如果需要静态链接，需要在编译时加上-static选项。

动态链接示例：

gcc test.c -o mytest

静态链接示例：

gcc test.c -o mytest -static

在实际使用中，可能会混合使用动态和静态链接。

我们可以使用file指令查看所调用的库类型，命令如下：

file 可执行文件名

例如，对于上面的hello文件：

我们可以看到它调用的是以.so结尾的动态库。

六、常用选项 GCC提供了多种选项，以满足不同的需求。以下是一些常用的选项：

• -o : 指定输出文件名。
• -Wall: 开启所有警告信息。
• -g: 生成调试信息，用于调试程序。
• -O: 优化级别，-O0（无优化）、-O1（基本优化）、-O2（较高优化）、-O3（最高优化）。
• -c: 仅编译源代码，不进行链接，生成目标文件（.o）。

示例：

生成调试信息：

gcc -g hello.c -o hello

开启所有警告信息：

gcc -Wall hello.c -o hello

进行优化编译：

gcc -O2 hello.c -o hello

七、总结 感谢大家的阅读，创作不易，望各位支持和点赞！

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