2.Linux下程序代码的编译

一.编译工具

前言

1）编译器和目标程序运行在相同架构的编译过程，被称为本地编译。
2）编译器和目标程序运行在不同架构的编译过程，被称为交叉编译。
为什么需要交叉编译？因为编译过程往往需要很大的算力和空间，arm平台上往往不满足这个要求，因此需要在x86上编译，然后下载到arm上运行。

1.GCC简介

Linux下编译C代码使用的是gcc，GCC（GNU Compiler Collection）是由 GNU这个组织开发的编程语言编译器，最开始叫GNU C Compiler，只支持编译C语言，后面渐渐开始支持编译C++，Java等语言，因此改叫GNU Compiler Collection，缩写还是GCC。C语言的GCC由下面三部分组成：
1）gcc-core：gcc编译器，可以将源码编译成可执行程序
2）Binutils：除gcc-core之外的小工具的合集，里面包含了链接器ld，汇编器as等。
3）glibc：C语言的标准库，包含了printf等函数。
执行如下命令，可以查看当前gcc编译的目标程序是在x86上运行还是在arm上运行：

gcc -v

会输出gcc的版本信息，里面有target这一项，根据该项的值来判断：

1）target：x86_64-linux-gnu，表示编译生成的程序只能在x86架构上运行。
2）target：arm-linux-gnueabihf，表示编译生成的程序只能在arm架构上运行。

2.GCC编译过程

使用gcc编译代码基本语法如下：
gcc [选项] 输入的文件名

常用选项如下：
-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，只是将include的文件和宏定义展开
-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

要理解上述选项，首先要知道gcc编译代码的几个阶段：预处理，编译，汇编，链接，如下：

下面通过举例说明上述过程，假设有hello.c源文件：

#include <stdio.h>int main()
{printf("hello, world! This is a C program.\n");for(int i = 0; i < 10; i++){printf("output i = %d\n", i);}return 0;
}

那么执行如下命令，可以一步到位，直接从源码生成可执行文件并执行：

gcc hello.c -o hello
./hello

其实，gcc hello.c -o hello这条命令包含了如下过程：

# 1.预处理，可理解为把头文件和宏的代码展开汇总成 C 代码，把 *.c 转换得到 *.i 文件
gcc –E hello.c –o hello.i
# 2.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
# 3.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
# 4.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

1）上述四个过程是可以分别执行的，也可以按照顺序组合在一起，如：

gcc -S hello.c -o hello.s    #相当与1和2两条命令的结合，同理
gcc –c hello.c –o hello.o   #相当于1，2，3这三条命令的结合

2)上述过程生成的文件是可以打开的，比如执行了gcc –E hello.c –o hello.i，可以直接用vim打开hello.i，就能看到相关头文件代码都被包含进来，宏也被替换展开了。
3) 如果执行了gcc –S hello.i –o hello.s之后，打开hello.s之后，便能看到生成的汇编代码。
4) 但是需要注意的是，执行gcc –c hello.s –o hello.o之后，如果用vim打开hello.o会发现是乱码，因为.o文件是机器码，是为了让机器阅读的。.o文件可以用readelf工具打开：

readelf -a hello.o

命令执行结果如下：

从上图可以看到，目标文件里面包含了 ELF 头、程序头、节等内容。对于*.o目标文件和*.so库文件，链接器根据这些内容信息来链接生成可执行程序，对于可执行文件，系统在运行时会根据这些信息来加载程序运行。

注：linux下生成的.o目标文件、.so动态库文件、可执行文件等都是elf格式的，可以通过readelf工具来查看内容。

3.链接过程

链接分为两种：静态链接和动态链接。
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，比如c语言的标准库，如果是动态链接生成的程序，那么都是在运行的时候才去加载。
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。
静态链接的优点是兼容性好，程序基本不依赖于外部环境，但是生成的程序也比较大。
动态链接生成的程序兼容性差点，但是生成的程序比较小。

gcc hello.c -o hello   #动态链接生成
gcc hello.c -o hello_static --static   #静态链接生成

通过对比，发现动态链接生成的hello比静态链接生成的hello_static小很多。

4.交叉编译器简介

编译器和目标程序运行在不同的架构上，这种编译器叫交叉编译器，x86平台上gcc交叉编译器主要有：
1）arm-linux-gnueabihf-gcc：这个编译器名称中的Linux表明该编译器生成的目标程序运行在Linux系统上，程序可以使用Linux下的c标准库和Linux内核API。
2）arm-none-eabi-gcc：名称中的none表示该编译器编译生成的目标程序运行环境不需要操作系统，可以用于编译逻辑代码，uboot，内核代码等。

注意，arm-linux-gnueabihf-gcc也是可以编译uboot和内核代码的。但是推荐用arm-none-eabi-gcc。
上述两个编译器都是由Linaro组织提供的。Linaro 是由 ARM 发起，与其它 ARM SOC 公司共同投资的非盈利组织。大部分开发者都是使用Linaro组织提供的交叉编译器。

Linaro组织的编译器命名规则如下：
arch [-os] [-(gnu)eabi(hf)] -gcc

其中，hf表示编译器的浮点模式是硬浮点hard-float（采用 fpu 参与浮点运算），如果没有hf则表明是软浮点soft-float（即使有 fpu 浮点运算单元也不用，而是使用软件模式）。
**注意，**如果目标平台的c库文件（比如glibc 的库文件 libc.so.6）都是硬浮点类型，那么使用不带hf的编译器编译出来的目标程序很可能无法在Linux平台上运行。使用如下命令可以查看库的类型：

readelf -h libc.so.6

假设在平台A上输出如下：

可以看到，平台A库类型是hard-float，如果使用如下命令编译：

sudo arm-linux-gnueabi-gcc  hello.c -o hello

那么编译生成的hello无法在上述在平台A上运行，因为平台A的c库文件是hard-float，而hello是soft-float类型编译器编译出来的。
要想在平台A上运行，有两种方法，方法一是使用hard-float类型的编译器，

sudo arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello_hf

方法二是使用静态编译:

sudo arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello_static  --static

则编译生成的hello_hf和hello_static均可以在平台A上运行。