【Linux】基础开发工具——gcc/g++篇

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前言
 在前面的文章里给大家介绍了vim的使用方法,学会了vim之后就可以进行代码的编写工作,但vim仅仅只是一款文本编辑器,要想让我们的代码运行起来,还需要使用今天给大家介绍的编译工具:gcc/g++。其中gcc是针对C语言的编译器,g++是针对C++的编译器,他俩在使用形式上是相同的,所以今天主要以gcc为主,给大家介绍一下它们的使用方法,让大家快速上手。
 编译主要分为预处理、编译、汇编、链接四个过程,下面将结合这四个具体过程,来介绍gcc的使用,同时会穿插介绍一些提升我们内功的边缘知识。

一、预处理

  • 预处理的主要功能主要包括宏替换、头文件展开、条件编译、去注释等。
  • 预处理指令都是以#开头的代码行。
  • 指令:gcc -E test.c -o test.i
  • -E:让gcc在预处理结束后停止编译过程。
  • -o:将当前编译结果写入到test.i文件中,.i文件为经过预处理的C源程序(注意:此时还是源程序)。

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1.1 头文件展开

 头文件展开,就是把头文件中的内容拷贝到当前的源代码中,这就意味着,在编译之前,系统中必须得有这个头文件,那我怎么知道系统中有没有呢?其实完全不用担心,头文件属于开发环境的一部i分,在Windows环境中,我们使用的vs、dev等都叫做集成开发环境,集代码编写、编译于一体,我们在下载这些工具的时候,会选择一个开发包,这其实就是下载C有关的头文件和库文件。而Linux环境是专门供程序员使用的,所以在大多数Linux环境下,与开发环境有关的东西,如:代码编辑器、代码编译器、头文件/库文件等,都已经提前帮我们准备好了,我们可以直接开始写代码。
/usr/include/目录是Linux下gcc/g++头文件的默认搜索路径,该路径下有许多和开发相关的头文件。
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1.2 条件编译

 条件编译,在我们平时写代码时似乎很少出现,但是它的作用我们可千万不能忽视。想必大家在下载一些软件的时候,会出现社区版、专业版等,一般而言,社区版的软件会比专业版的少一些功能。少的这些功能就是通过条件编译裁剪掉的,如果没有条件编译,那针对每一个版本,厂商都需要写一份对应的代码,那在维护的时候就非常麻烦,很可能会出现对社区版的修改了,而对专业版的没改。但是有了条件编译,厂商从始至终只需要维护一份代码即可,对于社区版只要对专业版的代码进行条件编译,裁剪掉相应的功能即可。

小Tips:预处理后得到的.i文件任然是C语言,只不过和我们的源码相比变得更干净了而已。

二、编译

  • 在这个阶段,gcc首先首先要检查代码的规范性,是否有语法错误,以确定代码实际要做的工作,在检查无误后,gcc把代码翻译成汇编语言。
  • 指令:gcc -S test.i -o test.s

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三、汇编

  • 汇编阶段是把编译生成的.s文件中的汇编指令转换成机器可以识别的二进制,这个二进制文件也被叫做可重定位目标二进制文件,简称目标文件
  • 指令:gcc -c test.s -o test.o

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四、链接

  • 链接阶段是将目标文件和库文件进行链接,形成可执行程序
  • 指令:gcc test.o -o mytest

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 有时候,我们会在程序当中引用、调用其他的外部子程序,或者是利用其他软件提供的函数功能,这个时候,我们就必须要在编译过程中将该函数库加进去,如此一来,编译器就可以将所有的程序代码与函数库做一个链接,以生成正确的执行文件。

4.1 什么是库?

 上面提到了库和库函数的概念。举个简单例子:大家在最开始学习C语言的时候,一定用过printf函数,来向显示器上打印一串字符,当时我们只知道,只要在我们代码的开头写上一句#include <stdio.h>,printf就能使用了。现在我们知道stdio.h是一个头文件,里面放的都是一些声明,因为这个头文件里有printf函数的声明,所以包上它后,我们就能去使用printf这个函数。printf的具体实现方法其实是放在库中的,可以这么说:库给我们提供方法的实现,库其实就是把源文件,经过一定的翻译,然后打包,只给用户提供一个文件,不用给我们提供太多的源文件,也可以达到隐藏源文件的目的,同时,库也避免了程序员自己去造轮子。所以这里的printf就是我们所说的库函数。链接阶段就是把我们写的源代码编译得到的目标文件与库进行链接,因为我们用的是C语言,所以默认链接的是C语言标准库。库本质上是一个文件,存在系统的特定目录下。绝大多数的函数库都放在/usr/lib/lib目录下。
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 上图展示的libc.so.6就是C语言的标准库。

4.2 库的分类

 库分为两类:动态库静态库。其中Linux环境下,动态库的后缀是.so,静态库的后缀是.a。在Windows环境下,动态库的后缀是.dll,静态库的后缀是.lib。所有的库文件,都遵守相同的命名规则,即:libname.后缀.xxx
小Tips:gcc编译器会默认找到C的标准库,它会把我们写的源代码经过编译得到的目标文件与库文件进行链接。这也是为什么gcc不能去编译C++的源文件,因为gcc默认找的是C的标准库,它找不到C++的库。

4.3 目标文件和库是如何链接的?

 总体上,链接分为两类:动态链接静态链接

4.3.1 动态链接

 将目标文件与动态库进行链接,就叫做动态链接。动态库就像是一个网吧,任何人想上网了,都可以去到这个网吧里。即:动态库是被所有程序所共享的,一般也被叫做共享库。这意味着,动态库只需要一个就够了,它可以满足所有程序的需求。
 动态库共享的特点,导致动态库不能丢失,就像网吧被查封了,人们就不能去上网一样。一旦对应的动态库丢失,影响的不只是一个程序,可能会导致多个程序都无法正常运行。

  • 指令ldd 可执行程序,可以查看一个可执行程序所依赖的动态库。

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 Linux中,编译形成可执行程序,优先采用动态链接。

4.3.2 静态链接

 将目标文件与静态库进行链接,就叫做静态链接。静态库就像电脑商城,当有人有上网需求时,会到电脑商城去买一台专属的电脑,只供自己使用。在编译器使用静态库进行静态链接的时候,会将自己的方法拷贝到目标程序中,该程序以后不再依赖静态库

  • gcc test.c -o mytest-static -static
  • 其中-static表示执行静态链接,前提是有静态库。
  • yum install -y glibc-static:安装C静态库

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gcc默认优先使用动态库,如果我们没有动态库,只有静态库,也是可以的,-static的本质就是改变优先级。链接的过程,不一定是纯的全是动态链接或者静态链接,二者可以同时出现,但是如果加了-static选项,那么会把所有的链接都变成静态链接。

  • file mytest:查看mytest这个可执行程序采用的是什么链接。

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4.4 动静态链接的优缺点对比

优点 缺点
动态库 有效的节省资源(磁盘空间、内存空间、网络空间等) 一旦缺失,所有程序都无法运行
静态库 不依赖库,编译成功的可执行程序,可以独立执行,不需要再向外部要求读取库函数中的内容 体积大,比较消耗资源

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五、Debug&&release

Debug是开发者模式,而用户最终使用的是release。Debug模式下的代码,可以被追踪、调试,因为在Debug模式下形成的可执行程序,里面添加了debug信息。这意味着,以Debug模式下得到的可执行程序,一定比release模式下得到的可执行程序要大。
 gcc编译器,默认是以release的模式编译得到可执行程序,要在Debug模式下,编译得到可执行程序,需要加-g选项,如下:

  • gcc test.c -o mytest-Debug -g

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  • readelf -S mytest:把对应的可执行程序以段的形式读取出来。
  • readelf -S mytest-Debug | grep debug:筛选出与Debug有关的段。

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