GCC使用入門

通常所說的GCC是GUN Compiler Collection的簡(jiǎn)稱，除了編譯程序之外，它還含其他相關(guān)工具，所以它能把易于人類使用的高級(jí)語言編寫的源代碼構(gòu)建成計(jì)算機(jī)能夠直接執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。GCC是Linux平臺(tái)下最常用的編譯程序，它是Linux平臺(tái)編譯器的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在Linux平臺(tái)下的嵌入式開發(fā)領(lǐng)域，GCC也是用得最普遍的一種編譯器。GCC之所以被廣泛采用，是因?yàn)樗苤С指鞣N不同的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。例如，它既支持基于宿主的開發(fā)（簡(jiǎn)單講就是要為某平臺(tái)編譯程序，就在該平臺(tái)上編譯），也支持交叉編譯（即在A平臺(tái)上編譯的程序是供平臺(tái)B使用的）。目前，GCC支持的體系結(jié)構(gòu)有四十余種，常見的有X86系列、Arm、PowerPC等。同時(shí)，GCC還能運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上，如Linux、Solaris、Windows等。

除了上面講的之外，GCC除了支持C語言外，還支持多種其他語言，例如C++、Ada、Java、Objective-C、FORTRAN、Pascal等。

本系列文章中，我們不僅介紹GCC的基本功能，還涉及到一些諸如優(yōu)化之類的高級(jí)功能。另外，我們還考察GCC的一些映像操作工具，如size和objcopy等，這將在后續(xù)的文章中加以介紹。

二、程序的編譯過程

對(duì)于GUN編譯器來說，程序的編譯要經(jīng)歷預(yù)處理、編譯、匯編、連接四個(gè)階段，如下圖所示：

     

從功能上分，預(yù)處理、編譯、匯編是三個(gè)不同的階段，但GCC的實(shí)際操作上，它可以把這三個(gè)步驟合并為一個(gè)步驟來執(zhí)行。下面我們以C語言為例來談一下不同階段的輸入和輸出情況。

在預(yù)處理階段，輸入的是C語言的源文件，通常為*.c。它們通常帶有.h之類頭文件的包含文件。這個(gè)階段主要處理源文件中的#ifdef、 #include和#define命令。該階段會(huì)生成一個(gè)中間文件*.i，但實(shí)際工作中通常不用專門生成這種文件，因?yàn)榛旧嫌貌坏?；若非要生成這種文件不可，可以利用下面的示例命令：

gcc -E  test.c -o test.i 


在編譯階段，輸入的是中間文件*.i，編譯后生成匯編語言文件*.s 。這個(gè)階段對(duì)應(yīng)的GCC命令如下所示：

GCC -S test.i -o test.s  


在匯編階段，將輸入的匯編文件*.s轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言*.o。這個(gè)階段對(duì)應(yīng)的GCC命令如下所示：

GCC -c test.s -o test.o  


最后，在連接階段將輸入的機(jī)器代碼文件*.s（與其它的機(jī)器代碼文件和庫(kù)文件）匯集成一個(gè)可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼文件。這一步驟，可以利用下面的示例命令完成：

GCC test.o -o test  


上面介紹了GCC編譯過程的四個(gè)階段以及相應(yīng)的命令。下面我們進(jìn)一步介紹常用的GCC的模式。

三、GCC常用模式

這里介紹GCC追常用的兩種模式：編譯模式和編譯連接模式。下面以一個(gè)例子來說明各種模式的使用方法。為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)我們?nèi)康脑创a都在一個(gè)文件test.c中，要想把這個(gè)源文件直接編譯成可執(zhí)行程序，可以使用以下命令：

$ GCC -o test 


這里test.c是源文件，生成的可執(zhí)行代碼存放在一個(gè)名為test 的文件中（該文件是機(jī)器代碼并且可執(zhí)行）。-o 是生成可執(zhí)行文件的輸出選項(xiàng)。如果我們只想讓源文件生成目標(biāo)文件（給文件雖然也是機(jī)器代碼但不可執(zhí)行），可以使用標(biāo)記-c ，詳細(xì)命令如下所示：

$ GCC -c test.c 


默認(rèn)情況下，生成的目標(biāo)文件被命名為test.o，但我們也可以為輸出文件指定名稱，如下所示：

$ GCC -c test.c -o  


上面這條命令將編譯后的目標(biāo)文件命名為mytest.o，而不是默認(rèn)的test.o。

迄今為止，我們談?wù)摰某绦騼H涉及到一個(gè)源文件；現(xiàn)實(shí)中，一個(gè)程序的源代碼通常包含在多個(gè)源文件之中，這該怎么辦？沒關(guān)系，即使這樣，用GCC處理起來也并不復(fù)雜，見下例：

$ GCC -o test  first.c second.c third.c 


該命令將同時(shí)編譯三個(gè)源文件，即first.c、second.c和 third.c，然后將它們連接成一個(gè)可執(zhí)行程序，名為test。

需要注意的是，要生成可執(zhí)行程序時(shí)，一個(gè)程序無論有有一個(gè)源文件還是多個(gè)源文件，所有被編譯和連接的源文件中必須有且僅有一個(gè)main函數(shù)，因?yàn)閙ain函數(shù)是該程序的入口點(diǎn)（換句話說，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用該程序時(shí)，首先將控制權(quán)授予程序的main函數(shù)）。但如果僅僅是把源文件編譯成目標(biāo)文件的時(shí)候，因?yàn)椴粫?huì)進(jìn)行連接，所以main函數(shù)不是必需的。

四、常用選項(xiàng)

許多情況下，頭文件和源文件會(huì)單獨(dú)存放在不同的目錄中。例如，假設(shè)存放源文件的子目錄名為./src，而包含文件則放在層次的其他目錄下，如./inc。當(dāng)我們?cè)?/src 目錄下進(jìn)行編譯工作時(shí)，如何告訴GCC到哪里找頭文件呢？方法如下所示：

$ gcc test.c –I../inc -o test 


上面的命令告訴GCC包含文件存放在./inc 目錄下，在當(dāng)前目錄的上一級(jí)。如果在編譯時(shí)需要的包含文件存放在多個(gè)目錄下，可以使用多個(gè)-I 來指定各個(gè)目錄：

$ gcc test.c –I../inc –I../../inc2 -o test 


這里指出了另一個(gè)包含子目錄inc2，較之前目錄它還要在再上兩級(jí)才能找到。

另外，我們還可以在編譯命令行中定義符號(hào)常量。為此，我們可以簡(jiǎn)單的在命令行中使用-D選項(xiàng)即可，如下例所示：

$ gcc -DTEST_CONFIGURATION test.c -o test 


上面的命令與在源文件中加入下列命令是等效的：

#define TEST_CONFIGURATION 


在編譯命令行中定義符號(hào)常量的好處是，不必修改源文件就能改變由符號(hào)常量控制的行為。

五、警告功能

當(dāng)GCC在編譯過程中檢查出錯(cuò)誤的話，它就會(huì)中止編譯；但檢測(cè)到警告時(shí)卻能繼續(xù)編譯生成可執(zhí)行程序，因?yàn)榫嬷皇轻槍?duì)程序結(jié)構(gòu)的診斷信息，它不能說明程序一定有錯(cuò)誤，而是存在風(fēng)險(xiǎn)，或者可能存在錯(cuò)誤。雖然GCC提供了非常豐富的警告，但前提是你已經(jīng)啟用了它們，否則它不會(huì)報(bào)告這些檢測(cè)到的警告。

在眾多的警告選項(xiàng)之中，最常用的就是-Wall選項(xiàng)。該選項(xiàng)能發(fā)現(xiàn)程序中一系列的常見錯(cuò)誤警告，該選項(xiàng)用法舉例如下：

$ gcc -Wall test.c -o test 


該選項(xiàng)相當(dāng)于同時(shí)使用了下列所有的選項(xiàng)：

◆unused-function：遇到僅聲明過但尚未定義的靜態(tài)函數(shù)時(shí)發(fā)出警告。

◆unused-label：遇到聲明過但不使用的標(biāo)號(hào)的警告。

◆unused-parameter：從未用過的函數(shù)參數(shù)的警告。

◆unused-variable：在本地聲明但從未用過的變量的警告。

◆unused-value：僅計(jì)算但從未用過的值得警告。

◆Format：檢查對(duì)printf和scanf等函數(shù)的調(diào)用，確認(rèn)各個(gè)參數(shù)類型和格式串中的一致。

◆implicit-int：警告沒有規(guī)定類型的聲明。

◆implicit-function-：在函數(shù)在未經(jīng)聲明就使用時(shí)給予警告。

◆char-subscripts：警告把char類型作為數(shù)組下標(biāo)。這是常見錯(cuò)誤，程序員經(jīng)常忘記在某些機(jī)器上char有符號(hào)。

◆missing-braces：聚合初始化兩邊缺少大括號(hào)。

◆Parentheses：在某些情況下如果忽略了括號(hào)，編譯器就發(fā)出警告。

◆return-type：如果函數(shù)定義了返回類型，而默認(rèn)類型是int型，編譯器就發(fā)出警告。同時(shí)警告那些不帶返回值的 return語句，如果他們所屬的函數(shù)并非void類型。

◆sequence-point：出現(xiàn)可疑的代碼元素時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

◆Switch：如果某條switch語句的參數(shù)屬于枚舉類型，但是沒有對(duì)應(yīng)的case語句使用枚舉元素，編譯器就發(fā)出警告（在switch語句中使用default分支能夠防止這個(gè)警告）。超出枚舉范圍的case語句同樣會(huì)導(dǎo)致這個(gè)警告。

◆strict-aliasing：對(duì)變量別名進(jìn)行最嚴(yán)格的檢查。

◆unknown-pragmas：使用了不允許的#pragma。

◆Uninitialized：在初始化之前就使用自動(dòng)變量。

需要注意的是，各警告選項(xiàng)既然能使之生效，當(dāng)然也能使之關(guān)閉。比如假設(shè)我們想要使用-Wall來啟用個(gè)選項(xiàng)，同時(shí)又要關(guān)閉unused警告，利益通過下面的命令來達(dá)到目的：

$ gcc -Wall -Wno-unused test.c -o test 


下面是使用-Wall選項(xiàng)的時(shí)候沒有生效的一些警告項(xiàng)：

◆cast-align：一旦某個(gè)指針類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)所需的地址對(duì)齊邊界擴(kuò)展，編譯器就發(fā)出警告。例如，某些機(jī)器上只能在2或4字節(jié)邊界上訪問整數(shù)，如果在這種機(jī)型上把char *強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成int *類型， 編譯器就發(fā)出警告。

◆sign-compare：將有符號(hào)類型和無符號(hào)類型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)發(fā)出警告。

◆missing-prototypes ：如果沒有預(yù)先聲明函數(shù)原形就定義了全局函數(shù)，編譯器就發(fā)出警告。即使函數(shù)定義自身提供了函數(shù)原形也會(huì)產(chǎn)生這個(gè)警告。這樣做的目的是檢查沒有在頭文件中聲明的全局函數(shù)。

◆Packed：當(dāng)結(jié)構(gòu)體帶有packed屬性但實(shí)際并沒有出現(xiàn)緊縮式給出警告。

◆Padded：如果結(jié)構(gòu)體通過充填進(jìn)行對(duì)齊則給出警告。

◆unreachable-code：如果發(fā)現(xiàn)從未執(zhí)行的代碼時(shí)給出警告。

◆Inline：如果某函數(shù)不能內(nèi)嵌（inline），無論是聲明為inline或者是指定了-finline-functions 選項(xiàng)，編譯器都將發(fā)出警告。 

◆disabled-optimization：當(dāng)需要太長(zhǎng)時(shí)間或過多資源而導(dǎo)致不能完成某項(xiàng)優(yōu)化時(shí)給出警告。

上面是使用-Wall選項(xiàng)時(shí)沒有生效，但又比較常用的一些警告選項(xiàng)。本文中要介紹的最后一個(gè)常用警告選項(xiàng)是-Werror。使用該選項(xiàng)后，GCC發(fā)現(xiàn)可疑之處時(shí)不會(huì)簡(jiǎn)單的發(fā)出警告就算完事，而是將警告作為一個(gè)錯(cuò)誤而中斷編譯過程。該選項(xiàng)在希望得到高質(zhì)量代碼時(shí)非常有用。 

六、小結(jié)

本文介紹了GCC的基本編譯過程和編譯模式，并詳細(xì)闡述了GCC的一些常用選項(xiàng)以及警告功能。這些是在利用GCC進(jìn)行應(yīng)用編程時(shí)最基本也最常用的一些內(nèi)容，我們會(huì)在后續(xù)文章中繼續(xù)介紹GCC的調(diào)試和優(yōu)化技術(shù)。