文章目录

  • 系列文章推荐
  • 前言
  • GCC 编译工具链
    • GCC 编译器
    • Binutils 工具集
    • glibc 库
  • X86_64平台、Ubuntu系统下的HelloWorld
    • 创建工作目录和文件
    • 编译并执行
  • ARM 平台、Debian 系统下的 HelloWorld
    • 安装 GCC 编译工具链
    • 创建工作目录和文件
    • 编译并执行
  • GCC编译过程
    • 基本语法
      • 编译过程
      • 预处理阶段
      • 编译阶段
      • 汇编阶段
      • 链接阶段

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前言

本文主要来自正点原子、野火Linux教程及本人理解，若有侵权请及时联系本人删除。如果本篇对您有帮助的话希望能一键三连，万分感谢。

GCC 编译工具链

GCC 编译工具链（toolchain）是指以 GCC 编译器为核心的一整套工具，用于把源代码转化成可执行应用程序。它主要包含以下三部分内容：

  • gcc-core：即 GCC 编译器，用于完成预处理和编译过程，例如把 C 代码转换成汇编代码。
  • Binutils ：除 GCC 编译器外的一系列小工具包括了链接器 ld，汇编器 as、目标文件格式查看器 readelf 等。
  • glibc：包含了主要的 C 语言标准函数库，C 语言中常常使用的打印函数 printf、malloc 函数就在 glibc 库中。

在很多场合下会直接用 GCC 编译器来指代整套 GCC 编译工具链。

GCC 编译器

GCC（GNU Compiler Collection）是由 GNU 开发的编程语言编译器。GCC 最初代表“GNU C Compiler”，当时只支持 C 语言。后来又扩展能够支持更多编程语言，包括 C++、Fortran 和 Java 等。因此，GCC 也被重新定义为“GNU Compiler Collection”，成为历史上最优秀的编译器，其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高 20%~30%。

GCC 的官网地址为：https://gcc.gnu.org/，在 Ubuntu 系统下系统默认已经安装好 GCC 编译器，可以通过如下命令查看 Ubuntu 系统中 GCC 编译器的版本及安装路径：

# 在主机上执行如下命令
gcc -v # 查看 gcc 编译器版本
which gcc # 查看 gcc 的安装路径

图中的两处信息说明如下：

  • “Target:x86_64-linux-gnu”表示该 GCC 的目标平台为 x86_64 架构（Intel、AMD 的 CPU），表示它编译生成的应用程序只适用于 x86 架构，不适用于 ARM 开发板平台。
  • “gcc version 7.4.0”表明该 GCC 的版本为 7.4.0，部分程序可能会对编译器版本有要求，不过我们演示使用的应用程序比较简单，兼容性好，一开始可以不用在乎这个，而编译指定版本的 uboot、Linux 内核的时候可能会对 GCC 有版本要求。

Binutils 工具集

Binutils（bin utility），是 GNU 二进制工具集，通常跟 GCC 编译器一起打包安装到系统，它的官方说明网站地址为：https://www.gnu.org/software/binutils/ 。

在进行程序开发的时候通常不会直接调用这些工具，而是在使用 GCC 编译指令的时候由 GCC 编译器间接调用。下面是其中一些常用的工具：

  • as：汇编器，把汇编语言代码转换为机器码（目标文件）。
  • ld：链接器，把编译生成的多个目标文件组织成最终的可执行程序文件。
  • readelf：可用于查看目标文件或可执行程序文件的信息。
  • nm ：可用于查看目标文件中出现的符号。
  • objcopy：可用于目标文件格式转换，如.bin 转换成.elf 、.elf 转换成.bin 等。
  • objdump：可用于查看目标文件的信息，最主要的作用是反汇编。
  • size：可用于查看目标文件不同部分的尺寸和总尺寸，例如代码段大小、数据段大小、使用的静态内存、总大小等。

系统默认的 Binutils 工具集位于/usr/bin 目录下，可使用如下命令查看系统中存在的 Binutils 工具集：

# 在Ubuntu上执行如下命令
ls /usr/bin/ | grep linux-gnu

图中列出的是 Binutils 工具的完整名字，在终端中使用时通常直接使用它们的别名即可，在后面的讲解我们会使用到 readelf 工具。

glibc 库

glibc 库是 GNU 组织为 GNU 系统以及 Linux 系统编写的 C 语言标准库，因为绝大部分 C 程序都依赖该函数库，该文件甚至会直接影响到系统的正常运行，例如常用的文件操作函数 read、write、open，打印函数 printf、动态内存申请函数 malloc 等。

在 Ubuntu 系统下，libc.so.6 是 glibc 的库文件，可直接执行该库文件查看版本，在主机上执行如下命令：

# 在 Ubantu 上执行如下命令
# 以下是 Ubuntu 64 位机的 glibc 库文件路径，可直接执行
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6


图中表示本系统中使用的 glibc 是 2.27 版本，是由 GCC 7.3.0 版本的编译器编译出来的。

学习 C 语言的时候，可能好奇printf、malloc之类的函数是如何实现的，但是在 Windows下的 C 库是不开源的，无法查看，而在 Linux 下，则可以直接研究 glibc 的源代码，甚至加入开发社区贡献自己的代码，glibc 的官网地址为：https://www.gnu.org/software/libc/ ，可在该网站中下载源代码来学习。

X86_64平台、Ubuntu系统下的HelloWorld

创建工作目录和文件

为方便进行后面的各种实验，首先建立一个工作目录 workdir/example，并在其下建立本章使用的hello_c 目录：

# 在 Ubantu 上执行如下命令
mkdir -p ~/workdir/example/hello_c # 创建 hello_c 目录

使用编辑器新建一个名为 hello.c 的文件

编译并执行

Ubuntu 默认安装 GCC 编译工具链，写好程序后可以直接进行编译，请尝试执行以下命令：

# 在 Ubantu 的 hello_c 目录下执行如下命令
gcc hello.c –o hello # 使用 gcc 把 hello.c 编译成 hello 程序ls # 查看目录下的文件
./hello # 执行生成的 hello 程序# 若提示权限不够或不是可执行文件，执行如下命令再运行 hello 程序
chmod u+x hello # 给 hello 文件添加可执行权限

如下图:

ARM 平台、Debian 系统下的 HelloWorld

安装 GCC 编译工具链

野火提供的 Debian 系统镜像默认不带 gcc 编译器，开发板启动以后，执行以下命令安装 GCC 编译工具链

sudo apt install gcc -y

如下图:

GCC 工具链包括了 binutils、readelf 工具, 因此 GCC 安装完成后，binutils、readelf 等工具也可以直接使用。运行以下指令查看 GCC 版本与安装路径。

gcc -v # 查看 gcc 编译器版本
which gcc # 查看 gcc 的安装路径

如下图:

与前面介绍的 Ubuntu 中 GCC 不一样的是，开发板中 gcc 编译工具链的目标平台是 arm 架构的，表示它生成的应用程序只能运行于 ARM 平台的开发板，而不适合用于 X86 平台。

创建工作目录和文件

先在当前用户下创建一个本章节使用的工作目录 workdir/example/hello_c。使用编辑器新建一个名为 hello.c 的文件

编译并执行

# 在 Debian 的 hello_c 目录下执行如下命令
gcc hello.c –o hello # 使用 gcc 把 hello.c 编译成 hello 程序ls # 查看目录下的文件
./hello # 执行生成的 hello 程序# 若提示权限不够或不是可执行文件，执行如下命令再运行 hello 程序
chmod u+x hello # 给 hello 文件添加可执行权限

如下图：

运行结果与前面 X86_64、Ubantu 系统的 HelloWorld 执行结果一致。这就是在 Linux 下使用 GCC 开发简单 C 应用程序并运行的基本流程

GCC编译过程

基本语法

GCC 使用的命令语法如下：gcc [选项] 输入的文件名
常用选项：

  • -o：小写字母“o”，指定生成的可执行文件的名字，不指定的话生成的可执行文件名为 a.out。
  • -E：只进行预处理，既不编译，也不汇编。
  • -S：只编译，不汇编。
  • -c：编译并汇编，但不进行链接。
  • -g：生成的可执行文件带调试信息，方便使用 gdb 进行调试。
  • -Ox：大写字母“O”加数字，设置程序的优化等级，如“-O0”“-O1”“-O2”“-O3”，数字越大代码的优化等级越高，编译出来的程序一般会越小，但有可能会导致程序不正常运行。

编译过程

若不了解程序的编译过程，那么 GCC 的编译选项会让人一头雾水。下面以 X86_64 平台下 Ubuntu的编译过程为例进行初步讲解，ARM 平台下 Debian 的编译过程也是类似的，不再进行分析。

GCC 编译选项除了-g 和-Ox 选项，其它选项实际上都是编译的分步骤，即只进行某些编译过程。

# 直接编译成可执行文件
gcc hello.c -o hello# 以上命令等价于执行以下全部操作
# 预处理，可理解为把头文件的代码汇总成 C 代码，把 *.c 转换得到 *.i 文件
gcc –E hello.c –o hello.i# 编译，可理解为把 C 代码转换为汇编代码，把 *.i 转换得到 *.s 文件
gcc –S hello.i –o hello.s# 汇编，可理解为把汇编代码转换为机器码，把 *.s 转换得到 *.o，即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o# 链接，把不同文件之间的调用关系链接起来，把一个或多个 *.o 转换成最终的可执行文件
gcc hello.o –o hello

GCC 编译工具链在编译一个 C 源文件时需要经过以下 4 步：

  1. 预处理，在预处理过程中，对源代码文件中的文件包含 (include)、预编译语句 (如宏定义define 等) 进行展开，生成.i 文件。可理解为把头文件的代码、宏之类的内容转换成更纯粹的 C 代码，不过生成的文件以.i 为后缀。
  2. 编译，把预处理后的.i 文件通过编译成为汇编语言，生成.s 文件，即把代码从 C 语言转换成汇编语言，这是 GCC 编译器完成的工作。
  3. 汇编，将汇编语言文件经过汇编，生成目标文件.o 文件，每一个源文件都对应一个目标文件。即把汇编语言的代码转换成机器码，这是 as 汇编器完成的工作。
  4. 链接，最后将每个源文件对应的.o 文件链接起来，就生成一个可执行程序文件，这是链接器 ld 完成的工作。

以上一节的 hello.c 为例，后面括号代表的是 gcc 的参数，分步骤编译过程如下图所示。

预处理阶段

使用 GCC 的参数“-E”，可以让编译器生成.i 文件，参数“-o”，可以指定输出文件的名字。具体执行命令如下：

# 预处理，可理解为把头文件的代码汇总成 C 代码，把 *.c 转换得到 *.i 文件
gcc –E hello.c –o hello.i

直接用编辑器打开生成的 hello.i，可以看到如下的内容

# 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
# 427 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 428 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h" 1 3 4
# 429 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 425 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 448 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
# 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
# 449 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 34 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 2 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 1 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
typedef long unsigned int size_t;
# 34 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 28 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
typedef unsigned char __u_char;
typedef unsigned short int __u_short;... 中间省略部分内容...int main(void)
{printf("hello, world! This is a C program.\n");
for(int i = 0; i < 10; i++)
{printf("output i = %d\n", i );
}
return 0;
}

文件中以“#”开头的是注释，可看到有非常多的类型定义、函数声明被加入到文件中，这些就是预处理阶段完成的工作，相当于它把原 C 代码中包含的头文件中引用的内容汇总到一处。如果原 C 代码有宏定义，还可以更直观地看到它把宏定义展开成具体的内容（如宏定义代表的数字）。

编译阶段

GCC 可以使用-S 选项，让编译程序生成汇编语言的代码文件（.s 后缀）。在这个过程，GCC 会检查各个源文件的语法，即使我们调用了一个没有定义的函数，也不会报错。具体命令如下，生成的 hello.s 文件可直接使用编辑器打开。

# 编译，可理解为把 C 代码转换为汇编代码，把 *.i 转换得到 *.s 文件
gcc –S hello.i –o hello.s# 也可以直接以 C 文件作为输入进行编译，与上面的命令是等价的
gcc –S hello.c –o hello.s

编译生成的 hello.s 文件内容如下：

.file "hello.c"
.text
.section .rodata
.align 8
.LC0:
.string "hello, world! This is a C program."
.LC1:
.string "output i = %d\n"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
中间省略部分内容
.L2:
cmpl $9, -4(%rbp)
jle .L3
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

汇编语言是跟平台相关的，由于本示例的 GCC 目标平台是 x86，所以此处生成的汇编文件是 x86的汇编代码。

汇编阶段

GCC 的参数“c”表示只编译 (compile) 源文件但不链接，会将源程序编译成目标文件（.o 后缀）。计算机只认识 0 或者 1，不懂得 C 语言，也不懂得汇编语言，经过编译汇编之后，生成的目标文件包含着机器代码，这部分代码就可以直接被计算机执行。一般情况下，可以直接使用参数“c”，跳过上述的两个过程，具体命令如下：

# 汇编，可理解为把汇编代码转换为机器码，把 *.s 转换得到 *.o，即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o# 也可以直接以 C 文件作为输入进行汇编，与上面的命令是等价的
gcc –c hello.c –o hello.o

.o 是为了让计算机阅读的，所以不像前面生成的.i 和 *.s 文件直接使用字符串来记录，如果直接使用编辑器打开，只会看到乱码，如下图。

Linux 下生成的 *.o 目标文件、 *.so 动态库文件以及下一小节链接阶段生成最终的可执行文件都是 elf 格式的，可以使用“readelf”工具来查看它们的内容。
请亲自尝试执行如下命令：

# 在 hello.o 所在的目录执行如下命令
readelf -a hello.o


从 readelf 的工具输出的信息，可以了解到目标文件包含 ELF 头、程序头、节等内容，对于*.o 目标文件或 *.so 库文件，编译器在链接阶段利用这些信息把多个文件组织起来，对于可执行文件，系统在运行时根据这些信息加载程序运行。

链接阶段

链接过程，是将汇编过程生成的所有目标文件进行链接，生成可执行文件。

例如一个工程里包含了 A 和 B 两个代码文件，编译后生成了各自的 A.o 和 B.o 目标文件，如果在代码 A 中调用了 B 中的某个函数 fun，那么在 A 的代码中只要包含了 fun 的函数声明，编译就会通过，而不管 B 中是否真的定义了 fun 函数（当然，如果函数声明都没有，编译也会报错）。也就是说 A.o 和 B.o 目标文件在编译阶段是独立的，而在链接阶段，链接过程需要把 A 和 B 之间的函数调用关系理顺，也就是说要告诉 A 在哪里能够调用到 fun 函数，建立映射关系，所以称之为链接。若链接过程中找不到 fun 函数的具体定义，则会链接报错。

虽然本示例只有一个 hello.c 文件，但它调用了 C 标准代码库的 printf 函数，所以链接器会把它和printf 函数链接起来，生成最终的可执行文件。

链接分为两种：

  • 动态链接，GCC 编译时的默认选项。动态是指在应用程序运行时才去加载外部的代码库，例如 printf 函数的 C 标准代码库 *.so 文件存储在 Linux 系统的某个位置，hello 程序执行时调用库文件 *.so 中的内容，不同的程序可以共用代码库。所以动态链接生成的程序比较小，占用较少的内存。
  • 静态链接，链接时使用选项“–static”，它在编译阶段就会把所有用到的库打包到自己的可执行程序中。所以静态链接的优点是具有较好的兼容性，不依赖外部环境，但是生成的程序比较大。

请尝试执行如下命令体验静态链接与动态链接的区别：

# 在 hello.o 所在的目录执行如下命令
# 动态链接，生成名为 hello 的可执行文件gcc hello.o –o hello# 也可以直接使用 C 文件一步生成，与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello# 静态链接，使用--static 参数，生成名为 hello_static 的可执行文件
gcc hello.o –o hello_static --static# 也可以直接使用 C 文件一步生成，与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello_static --static


从图中可以看到，使用动态链接生成的 hello 程序才 8.2KB，而使用静态链接生成的 hello_static 程序则高达 825KB。

在 Ubuntu 下，可以使用 ldd 工具查看动态文件的库依赖，尝试执行如下命令：

# 在 hello 所在的目录执行如下命令
ldd hello
ldd hello_static


可以看到，动态链接生成的 hello 程序依赖于库文件 linux-vdso.so.1、libc.so.6 以及 ld-linux-x86-64.so.2，其中的 libc.so.6 就是我们常说的 C 标准代码库，我们的程序中调用了它的 printf 库函数。

静态链接生成的 hello_static 没有依赖外部库文件。

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