GCC基本使用

本文重点讲解GCC的基本概念和在嵌入式环境下的使用。

1. GCC工具

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：

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。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，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。

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Ubantu上执行如下命令
ls /usr/bin/ | grep linux-gnu-

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

2. GCC编译

编写HelloWorld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;
 }

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，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

GCC 编译工具链在编译一个C源文件时需要经过以下 4 步：

• 预处理：为把头文件的代码、宏之类的内容转换成生成的.i文件，还是C代码。
• 编译：把预处理后的.i文件通过编译成.s文件，汇编语言。
• 汇编：将汇编语言文件生成目标文件.o文件，机器码。
• 链接：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。

（1）预处理阶段

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。

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

编译生成的hello.i文件内容如下：

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，它把宏定义展开成具体的内容。

（2）编译阶段

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。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。

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）。

具体命令如下:

 # 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：

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。

（3）汇编阶段

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。

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

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。

请试执行如下命令：

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。

（4）链接阶段

最后将每个源文件对应的目标.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。

例如一个工程里包含了A和B两个代码文件，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，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。

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8.3KB， 而使用静态链接生成的hello_static程序则高达845KB。

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：

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。

3. 交叉编译

如果我们希望编译器运行在x86架构平台上，然后编译生成ARM架构的可执行程序，这种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。

（1）安装ARM-GCC

 # 在主机上执行如下命令
 sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf
 ​
 # 安装完成后使用如下命令查看版本
 arm-linux-gnueabihf-gcc –v

安装完成后输入“arm-linux-gnueabihf-”，再按两下TAB键，终端会提示可用的相关命令，如下图包含了ARM-GCC工具链Binutils的各种工具。

（2）交叉编译程序

交叉编译器与本地编译器使用起来并没有多大区别。

 # 在hello.c程序所在的目录执行如下命令
 arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c –o hello_arm

同样的C代码文件，使用交叉编译器编译后，生成的hello已经变成了ARM平台的可执行文件，可以通过readelf工具来查看具体的程序信息。

readelf工具在系统安装GCC编译工具链时一起被安装了，我们可以直接使用。在主机上执行以下命令：

 # 以下命令在主机上运行
 readelf -a hello_arm

最后把hello_arm通过NFS拷贝到开发板上，就能手动运行了。

（3）GCC编译器命名格式

除了我们安装的arm-linux-gnueabihf-gcc外，编译器还有很多版本，如arm-linux-gnueabi-gcc，本地编译器gcc全名为x86_64-linux-gnu-gcc，这些编译器是有一定的命名规则的：

arch [-os] [-(gnu)eabi(hf)] -gcc

其中的各字段如下表所示：

以我们安装的arm-linux-gnueabihf-gcc编译器为例：

• arm：表示它的目标芯片架构为ARM
• linux：目标操作系统为Linux
• gnu：使用GNU的C标准库即glibc
• eabi：使用嵌入式应用二进制接口（eabi）
• hf：编译器的浮点模式为硬浮点hard-float

好了，以上是GCC的基本概念和使用，希望对你有用。