Linux中GCC编译工具集中个软件的用途、gcc的简单编译以及ELF文件格式

文章目录

一、gcc编译工具集中各软件的用途
- 1.1 GCC
- 1.2 Binutils
- 1.3 C运行库
二、简单编译
- 2.1 代码编译过程
- 2.2 多个程序文件的编译
- 2.3 检错
- 2.4 库文件连接
三、分析ELF文件格式
四、总结

一、gcc编译工具集中各软件的用途

1.1 GCC

GCC ( GNU C Compiler)是编译工具。本文所要介绍的将C/C++语言编写的程序转换成为处理器能够执行的二进制代码的过程即由编译器完成。

1.2 Binutils

一组二进制程序处理工具，包括:addr2line、ar、 objcopy、objdump、as、ld、ldd、readelf、 size等。这一组工具是开发和调试不可缺少的工具，分别简介如下:

(1) addr2line:用来将程序地址转换成其所对应的程序源文件及所对应的代码
行，也可以得到所对应的函数。该工具将帮助调试器在调试的过程中定位对应的源代码位置。

(2) as:主要用于汇编，有关汇编的详细介绍请参见后文。

(3)ld:主要用于链接，有关链接的详细介绍请参见后文。

(4) ar:主要用于创建静态库。为了便于初学者理解，在此介绍动态库与静态库
的概念:

如果要将多个.o目标文件生成一个库文件，则存在两种类型的库，一种是静态库，另一种是动态库。
在windows中静态库是以 .lib 为后缀的文件，共享库是以 .dll 为后缀的文件。在linux中静态库是以.a为后缀的文件，共享库是以.so为后缀的文件。
静态库和动态库的不同点在于代码被载入的时刻不同。静态库的代码在编译过程中已经被载入可执行程序，因此体积较大。共享库的代码是在可执行程序运行时才载入内存的，在编译过程中仅简单的引用，因此代码体积较小。在 Linux系统中，可以用ldd命令查看一个可执行程序依赖的共享库。
如果一个系统中存在多个需要同时运行的程序且这些程序之间存在共享库，那么采用动态库的形式将更节省内存。
(5) ldd:可以用于查看一个可执行程序依赖的共享库。

(6) objcopy:将一种对象文件翻译成另一种格式，譬如将.bin转换成.elf、或者将.elf转换成.bin 等。

(7) objdump:主要的作用是反汇编。有关反汇编的详细介绍，请参见后文。(8) readelf:显示有关ELF文件的信息，请参见后文了解更多信息。

(9) size:列出可执行文件每个部分的尺寸和总尺寸，代码段、数据段、总大小等，请参见后文了解使用size的具体使用实例。

1.3 C运行库

C语言标准主要由两部分组成:一部分描述C的语法，另一部分描述C标准库。C标准库定义了一组标准头文件，每个头文件中包含一些相关的函数、变量、类型声明和宏定义，譬如常见的 printf函数便是一个C标准库函数，其原型定义在stdio头文件中。

c语言标准仅仅定义了C标准库函数原型，并没有提供实现。因此，C语言编译器通常需要一个C运行时库(C Run Time Libray，CRT）的支持。C运行时库又常简称为C运行库。与C语言类似，C++也定义了自己的标准，同时提供相关支持库，称为C++运行时库。

二、简单编译

创建一个文件夹Test3，并创建一个test.c文件

test.c代码如下：

一步到位的编译指令

gcc test.c -o test

实质上，代码的编译过程是分为四个阶段进行的。

预处理（也称预编译，Preprocessing）

编译（Compilation）

汇编（Assembly）

连接（Linking）

2.1 代码编译过程

预处理（Preprocessing）

gcc -E test.c -o test.i或者gcc -E test.c

前者可以输出test.i文件，文件中存放着test.c经预处理之后的代码，能打开看一下
后者是直接在命令行窗口输出经过预处理后的代码

gcc的-E选项，可以让编译器在预处理后停止，并输出预处理的结果。本例中，预处理的结果就是将stdio.h文件内容插入到test.c中

编译（Compilation）

编译为汇编代码

预处理之后，可以直接对生成的test.i文件编译，生成汇编代码

gcc -S test.i -o test.s

gcc的-S选项，表示程序编译期间，在生成汇编代码后，停止，-o输出汇编代码文件test.s

汇编（Assembly）

gas汇编器负责将汇编文件test.s编译成目标文件

gcc -c test.s -o test.o

连接（Linking）

对于生成的test.o文件，将其与C标准输入输出库进行连接，最终生成程序test

gcc test.o -o test

gcc连接器是gas提供的，负责将程序的目标文件与所需的所有附加的目标文件连接起来，最终生成可执行文件。附加的目标文件包括静态连接库和动态连接库。

执行./test，看看输出结果吧！！

2.2 多个程序文件的编译

通常整个程序是由多个源文件组成的，相应的也就形成了多个编译单元，使用GCC能够很好地管理这些编译单元。

假设有一个由test1.c和test2.c两个源文件组成的程序，为了对它们进行编译，并最终生成可执行程序test，可以使用下面这条命令：

gcc test1.c test2.c -o test

如果同时处理文件不止一个，GCC任然会按照上面介绍的四个步骤依次进行。上面这一条命令大致相当于依次执行如下三条命令：
gcc -c test1.c -o test1.o
gcc -c test2.c -o test2.o
gcc test1.o test2.o -o test

2.3 检错

gcc -pedantic illcode -o illcode

-pedantic编译选项并不能保证被编译程序与ANSI/ISO C标准的完全兼容。也就是-pedantic选项能够帮助程序员发现一些不符合ANSI/ISO C标准的代码，但不是全部。事实上只有ANSI/ISO C标准要求进行编译器诊断的那些情况，才有可能被GCC发现并提出警告。

当然除了-pedantic之外，GCC还有一些其它编译选项也能够产生有用的警告信息。这些选项大多以-W开头，其中最有价值的当属-Wall，使用它能够使GCC产生尽可能多的警告信息。

gcc -Wall illcode -o illcode

GCC给出的警告信息虽然从严格意义上说不能算作错误，但却很可能成为错误的栖身之所。一个优秀的Linux程序员应该尽量避免产生警告信息，使自己的代码始终保持标准、健壮的特性。所以将警告信息当成编码错误来对待，是一种值得赞扬的行为!所以，在编译程序时带上-Werror选项，那么GCC 会在所有产生警告的地方停止编译，迫使程序员对自己的代码进行修改，如下:

gcc -Werror test.c -o test

2.4 库文件连接

开发软件时，完全不使用第三方函数库的情况是比较少见的，通常来讲都需要借助许多函数库的支持才能够完成相应的功能。从程序员的角度看，函数库实际上就是一些头文件（.h）和库文件(so、或lib、dll〉的集合。虽然Linux下的大多数函数都默认将头文件放到/usrlincludel目录下，而库文件则放到/usrllib/目录下; Windows所使用的库文件主要放在Visual Stido的目录下的 include和 lib,以及系统文件夹下。但也有的时候，我们要用的库不再这些目录下，所以GCC在编译时必须用自己的办法来查找所需要的头文件和库文件。

例如我们的程序 test.c是在 linux上使用c连接mysql,这个时候我们需要去mysql官网下载 MySQLConnectors 的C库，下载下来解压之后，有一个include文件夹，里面包含mysql connectors的头文件，还有一个lib文件夹，里面包含二进制so文件 libmysqlclient.so

其中 inclulde文件夹的路径是/usr/dev/mysqlinclude,lib文件夹是/usrldev/mysql/lib

编译可执行文件

首先我们需要进行编译test.c为目标文件

gcc -c -I /usr/dev/mysql/include test.c -o test.o

链接

最后我们把所有目标文件链接成可执行文件

gcc -L /usr/dev/mysql/lib -lmysqlclient test.o -o test

Linux下的库文件分为两大类分别是动态链接库〈通常以.so结尾)和静态链接库（通常以.a结尾)，二者的区别仅在于程序执行时所需的代码是在运行时动态加载的，还是在编译时静态加载的。

强制链接时使用静态库
默认情况下，GCC在链接时优先使用动态链接库，只有当动态链接库不存在时才考虑使用静态链接库，如果需要的话可以在编译时加上-static 选项，强制使用静态链接库。

在/usrldev/mysqlib目录下有链接时所需要的库文件libmysqlclient.so和 libmysqlclient.a，为了让GCC在链接时只用到静态链接库，可以使用下面的命令:

gcc -L /usr/dev/mysql/lib -static -lmysqlclient test.o -o test

静态库链接时搜索路径顺序：
1.ld会去找GCC命令中的参数L
2.再找gcc的环境变量LIBRARY_PATH
3.再找内定目录/lib lusr/lib /usr/local/lib这是当初compile gcc时写在程序内的

动态链接时、执行时搜索路径顺序:
1.编译目标代码时指定的动态库搜索路径
2.环境变量LD_LIBRARY_PATH指定的动态库搜索路径3．配置文件letc/ld.so.conf中指定的动态库搜索路径
4．默认的动态库搜索路径/lib
5.默认的动态库搜索路径/usr/lib

有关环境变量:
LIBRARY_PATH环境变量:指定程序静态链接库文件搜索路径LD_LIBRARY_PATH环境变量:指定程序动态链接库文件搜索路径

三、分析ELF文件格式

如果使用命令gcc test.c -o test，则会使用动态库进行链接，生成的ELF可执行文件的大小（使用Binutils的size命令查看）和链接的动态库（使用Binutils的ldd命令查看），如下图所示：

如果使用命令gcc -static test.c -o test，则会使用静态库进行链接，生成的ELF可执行文件的大小（使用Binutils的size命令查看）和链接的动态库（使用Binutils的ldd命令查看），如下图所示：

可以看出text的代码尺寸变得极大，不是动态可执行文件说明没有链接动态库

链接器链接后生成的最终文件为ELF格式可执行文件，一个ELF可执行文件通常被链接为不同的段，常见的段有.text、.data、.rodata、.bss等

ELF文件格式如下图所示，位于ELF Header和Section Header Table 之间的都是段( Section) 。一个典型的ELF文件包含下面几个段:

. text :已编译程序的指令代码段。
.rodata: ro 代表read only，即只读数据（譬如常数const ) .data:已初始化的C程序全局变量和静态局部变量。
.bss :未初始化的C程序全局变量和静态局部变量。.debug:调试符号表，调试器用此段的信息帮助调试。

我们可以使用readelf -S查看各个section的信息如下：

反汇编ELF

由于ELF文件无法被当普通文本文件打开，如果直接查看一个ELF文件包含的指令和数据，需要使用反汇编的方法：

使用objdump -D对其进行反汇编

objdump -D test

使用objdump -S将其反汇编并且将其C语言源代码混合显示出来

四、总结

通过这次实验我对gcc的常用命令的使用更加熟练，也了解到了ELF文件格式，知道里gcc编译工具集中个软件的用途