3.4 Gcc 編譯器
GNU CC（簡(jiǎn)稱(chēng)為Gcc）是GNU項(xiàng)目中符合ANSI C 標(biāo)準(zhǔn)的編譯系統(tǒng)，能夠編譯用C、C++和Object C等語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。Gcc不僅功能強(qiáng)大，而且可以編譯如C、C++、Object C、Java、Fortran、Pascal、Modula-3 和Ada 等多種語(yǔ)言，而且Gcc 又是一個(gè)交叉平臺(tái)編譯器，它能夠在當(dāng)前CPU平臺(tái)上為多種不同體系結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件，因此尤其適合在嵌入式領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)編譯。本章中的示例，除非特別注明，否則均采用Gcc版本為4.0.0。
下表3.6 是Gcc支持編譯源文件的后綴及其解釋。
表3.6 Gcc所支持后綴名解釋
后綴名 所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言 后綴名 所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言
.c C原始程序 .s/.S 匯編語(yǔ)言原始程序
.C/.cc/.cxx C++原始程序 .h 預(yù)處理文件（頭文件）
.m Objective-C原始程序 .o 目標(biāo)文件
.i 已經(jīng)過(guò)預(yù)處理的C原始程序 .a/.so 編譯后的庫(kù)文件
.ii 已經(jīng)過(guò)預(yù)處理的C++原始程序
3.4.1 Gcc編譯流程解析
如本章開(kāi)頭提到的，Gcc的編譯流程分為了4個(gè)步驟，分別為：
· 預(yù)處理（Pre-Processing）；
· 編譯（Compiling）；
· 匯編（Assembling）；
· 鏈接（Linking）。
下面就具體來(lái)查看一下Gcc是如何完成4 個(gè)步驟的。
首先，有以下hello.c源代碼：
#include<stdio.h>
int main()
{
printf("Hello! This is our embedded world!\n");
return 0;
}
（1）預(yù)處理階段
在該階段，編譯器將上述代碼中的stdio.h編譯進(jìn)來(lái)，并且用戶(hù)可以使用Gcc的選項(xiàng)“-E”進(jìn)行查看，該選項(xiàng)的作用是讓Gcc在預(yù)處理結(jié)束后停止編譯過(guò)程。
注意
Gcc指令的一般格式為：Gcc [選項(xiàng)] 要編譯的文件 [選項(xiàng)] [目標(biāo)文件]
其中，目標(biāo)文件可缺省，Gcc默認(rèn)生成可執(zhí)行的文件，命為：編譯文件.out
[root@localhost Gcc]# Gcc –E hello.c –o hello.i
在此處，選項(xiàng)“-o”是指目標(biāo)文件，由表3.6 可知，“.i”文件為已經(jīng)過(guò)預(yù)處理的C 原始程序。以下列出了hello.i文件的部分內(nèi)容：
typedef int (*__gconv_trans_fct) (struct __gconv_step *,
struct __gconv_step_data *, void *,
__const unsigned char *,
__const unsigned char **,
__const unsigned char *, unsigned char **,
size_t *);
…
# 2 "hello.c" 2
int main()
{
printf("Hello! This is our embedded world!\n");
return 0;
}
由此可見(jiàn)，Gcc確實(shí)進(jìn)行了預(yù)處理，它把“stdio.h”的內(nèi)容插入到hello.i文件中。
（2）編譯階段
接下來(lái)進(jìn)行的是編譯階段，在這個(gè)階段中，Gcc 首先要檢查代碼的規(guī)范性、是否有語(yǔ)法錯(cuò)誤等，以確定代碼的實(shí)際要做的工作，在檢查無(wú)誤后，Gcc把代碼翻譯成匯編語(yǔ)言。用戶(hù)可以使用“-S”選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行查看，該選項(xiàng)只進(jìn)行編譯而不進(jìn)行匯編，生成匯編代碼。
[root@localhost Gcc]# Gcc –S hello.i –o hello.s
以下列出了hello.s的內(nèi)容，可見(jiàn)Gcc已經(jīng)將其轉(zhuǎn)化為匯編了，感興趣的讀者可以分析一下這一行簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言小程序是如何用匯編代碼實(shí)現(xiàn)的。
.file "hello.c"
.section .rodata
.align 4
.LC0:
.string "Hello! This is our embedded world!"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax
addl $15, %eax
addl $15, %eax
shrl $4, %eax
sall $4, %eax
subl %eax, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0
call puts
addl $16, %esp
movl $0, %eax
leave
ret
.size main, .-main
.ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
（3）匯編階段
匯編階段是把編譯階段生成的“.s”文件轉(zhuǎn)成目標(biāo)文件，讀者在此可使用選項(xiàng)“-c”就可看到匯編代碼已轉(zhuǎn)化為“.o”的二進(jìn)制目標(biāo)代碼了。如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –c hello.s –o hello.o
（4）鏈接階段
在成功編譯之后，就進(jìn)入了鏈接階段。在這里涉及到一個(gè)重要的概念：函數(shù)庫(kù)。讀者可以重新查看這個(gè)小程序，在這個(gè)程序中并沒(méi)有定義“printf”的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，且在預(yù)編譯中包含進(jìn)的“stdio.h”中也只有該函數(shù)的聲明，而沒(méi)有定義函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，那么，是在哪里實(shí)現(xiàn)“printf”函數(shù)的呢？最后的答案是：系統(tǒng)把這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)都被做到名為libc.so.6的庫(kù)文件中去了，在沒(méi)有特別指定時(shí)，Gcc會(huì)到系統(tǒng)默認(rèn)的搜索路徑“/usr/lib”下進(jìn)行查找，也就是鏈接到libc.so.6庫(kù)函數(shù)中去，這樣就能實(shí)現(xiàn)函數(shù)“printf”了，而這也就是鏈接的作用。函數(shù)庫(kù)一般分為靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)兩種。靜態(tài)庫(kù)是指編譯鏈接時(shí)，把庫(kù)文件的代碼全部加入到可執(zhí)行文件中，因此生成的文件比較大，但在運(yùn)行時(shí)也就不再需要庫(kù)文件了。其后綴名一般為“.a”。動(dòng)態(tài)庫(kù)與之相反，在編譯鏈接時(shí)并沒(méi)有把庫(kù)文件的代碼加入到可執(zhí)行文件中，而是在程序執(zhí)行時(shí)由運(yùn)行時(shí)鏈接文件加載庫(kù)，這樣可以節(jié)省系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)。動(dòng)態(tài)庫(kù)一般后綴名為“.so”，如前面所述的libc.so.6就是動(dòng)態(tài)庫(kù)。Gcc在編譯時(shí)默認(rèn)使用動(dòng)態(tài)庫(kù)。完成了鏈接之后，Gcc就可以生成可執(zhí)行文件，如下所示。
[root@localhost Gcc]# Gcc hello.o –o hello
運(yùn)行該可執(zhí)行文件，出現(xiàn)正確的結(jié)果如下。
[root@localhost Gcc]# ./hello
Hello! This is our embedded world!
3.4.2 Gcc編譯選項(xiàng)分析
Gcc 有超過(guò)100 個(gè)的可用選項(xiàng)，主要包括總體選項(xiàng)、告警和出錯(cuò)選項(xiàng)、優(yōu)化選項(xiàng)和體系
結(jié)構(gòu)相關(guān)選項(xiàng)。以下對(duì)每一類(lèi)中最常用的選項(xiàng)進(jìn)行講解。
（1）總體選項(xiàng)
Gcc的總結(jié)選項(xiàng)如表3.7 所示，很多在前面的示例中已經(jīng)有所涉及。
表3.7 Gcc總體選項(xiàng)列表
-c 只是編譯不鏈接，生成目標(biāo)文件“.o”
-S 只是編譯不匯編，生成匯編代碼
-E 只進(jìn)行預(yù)編譯，不做其他處理
-g 在可執(zhí)行程序中包含標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試信息
-o file 把輸出文件輸出到file里
-v 打印出編譯器內(nèi)部編譯各過(guò)程的命令行信息和編譯器的版本
-I dir 在頭文件的搜索路徑列表中添加dir目錄
-L dir 在庫(kù)文件的搜索路徑列表中添加dir目錄
-static 鏈接靜態(tài)庫(kù)
-llibrary 連接名為library的庫(kù)文件
對(duì)于“-c”、“-E”、“-o”、“-S”選項(xiàng)在前一小節(jié)中已經(jīng)講解了其使用方法，在此主要講解另外兩個(gè)非常常用的庫(kù)依賴(lài)選項(xiàng)“-I dir”和“-L dir”。
· “-I dir”
正如上表中所述，“-I dir”選項(xiàng)可以在頭文件的搜索路徑列表中添加dir 目錄。由于Linux中頭文件都默認(rèn)放到了“/usr/include/”目錄下，因此，當(dāng)用戶(hù)希望添加放置在其他位置的頭文件時(shí)，就可以通過(guò)“-I dir”選項(xiàng)來(lái)指定，這樣，Gcc就會(huì)到相應(yīng)的位置查找對(duì)應(yīng)的目錄。比如在“/root/workplace/Gcc”下有兩個(gè)文件：
/*hello1.c*/
#include<my.h>
int main()
{
printf("Hello!!\n");
return 0;
}
/*my.h*/
#include<stdio.h>
這樣，就可在Gcc命令行中加入“-I”選項(xiàng)：
[root@localhost Gcc] Gcc hello1.c –I /root/workplace/Gcc/ -o hello1
這樣，Gcc就能夠執(zhí)行出正確結(jié)果。
小知識(shí)
在include語(yǔ)句中，“<>”表示在標(biāo)準(zhǔn)路徑中搜索頭文件，““””表示在本目錄中搜索。故在上例中，可把hello1.c的“#include<my.h>”改為“#include “my.h””，就不需要加上“-I”選項(xiàng)了。
· “-L dir”選項(xiàng)“-L dir”的功能與“-I dir”類(lèi)似，能夠在庫(kù)文件的搜索路徑列表中添加dir 目錄。
例如有程序hello_sq.c需要用到目錄“/root/workplace/Gcc/lib”下的一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)libsunq.so，則
只需鍵入如下命令即可：
[root@localhost Gcc] Gcc hello_sq.c –L /root/workplace/Gcc/lib –lsunq –o hello_sq
需要注意的是，“-I dir”和“-L dir”都只是指定了路徑，而沒(méi)有指定文件，因此不能在路徑中包含文件名。
另外值得詳細(xì)解釋一下的是“-l”選項(xiàng)，它指示Gcc去連接庫(kù)文件libsunq.so。由于在Linux下的庫(kù)文件命名時(shí)有一個(gè)規(guī)定：必須以l、i、b 3 個(gè)字母開(kāi)頭。因此在用-l選項(xiàng)指定鏈接的庫(kù)文件名時(shí)可以省去l、i、b 3個(gè)字母。也就是說(shuō)Gcc在對(duì)“-lsunq”進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)自動(dòng)去鏈接名為libsunq.so的文件。
（2）告警和出錯(cuò)選項(xiàng)
Gcc的告警和出錯(cuò)選項(xiàng)如表3.8 所示。
表3.8 Gcc總體選項(xiàng)列表
選 項(xiàng) 含 義
-ansi 支持符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C程序
-pedantic 允許發(fā)出ANSI C標(biāo)準(zhǔn)所列的全部警告信息
續(xù)表
選 項(xiàng) 含 義
-pedantic-error 允許發(fā)出ANSI C標(biāo)準(zhǔn)所列的全部錯(cuò)誤信息
-w 關(guān)閉所有告警
-Wall 允許發(fā)出Gcc提供的所有有用的報(bào)警信息
-werror 把所有的告警信息轉(zhuǎn)化為錯(cuò)誤信息，并在告警發(fā)生時(shí)終止編譯過(guò)程
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)這幾個(gè)告警和出錯(cuò)選項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的講解。
如有以下程序段：
#include<stdio.h>
void main()
{
long long tmp = 1;
printf("This is a bad code!\n");
return 0;
}
這是一個(gè)很糟糕的程序，讀者可以考慮一下有哪些問(wèn)題？
· “-ansi”
該選項(xiàng)強(qiáng)制Gcc生成標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)法所要求的告警信息，盡管這還并不能保證所有沒(méi)有警告的程序都是符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的。運(yùn)行結(jié)果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –ansi warning.c –o warning
warning.c: 在函數(shù)“main”中：
warning.c:7 警告：在無(wú)返回值的函數(shù)中，“return”帶返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回類(lèi)型不是“int”
可以看出，該選項(xiàng)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)“long long”這個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù)類(lèi)型的錯(cuò)誤。
· “-pedantic”
允許發(fā)出ANSI C標(biāo)準(zhǔn)所列的全部警告信息，同樣也保證所有沒(méi)有警告的程序都是符合
ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的。其運(yùn)行結(jié)果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –pedantic warning.c –o warning
warning.c: 在函數(shù)“main”中：
warning.c:5 警告：ISO C90不支持“long long”
warning.c:7 警告：在無(wú)返回值的函數(shù)中，“return”帶返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回類(lèi)型不是“int”
可以看出，使用該選項(xiàng)查看出了“long long”這個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù)類(lèi)型的錯(cuò)誤。
· “-Wall”
允許發(fā)出Gcc能夠提供的所有有用的報(bào)警信息。該選項(xiàng)的運(yùn)行結(jié)果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –Wall warning.c –o warning
warning.c:4 警告：“main”的返回類(lèi)型不是“int”
warning.c: 在函數(shù)“main”中：
warning.c:7 警告：在無(wú)返回值的函數(shù)中，“return”帶返回值
warning.c:5 警告：未使用的變量“tmp”
使用“-Wall”選項(xiàng)找出了未使用的變量tmp，但它并沒(méi)有找出無(wú)效數(shù)據(jù)類(lèi)型的錯(cuò)誤。
另外，Gcc 還可以利用選項(xiàng)對(duì)單獨(dú)的常見(jiàn)錯(cuò)誤分別指定警告，有關(guān)具體選項(xiàng)的含義感興
趣的讀者可以查看Gcc手冊(cè)進(jìn)行學(xué)習(xí)。
（3）優(yōu)化選項(xiàng)
Gcc可以對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，它通過(guò)編譯選項(xiàng)“-On”來(lái)控制優(yōu)化代碼的生成，其中n是一個(gè)代表優(yōu)化級(jí)別的整數(shù)。對(duì)于不同版本的Gcc 來(lái)講，n 的取值范圍及其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效果可能并不完全相同，比較典型的范圍是從0變化到2或3。
不同的優(yōu)化級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)化處理工作。如使用優(yōu)化選項(xiàng)“-O”主要進(jìn)行線(xiàn)程跳轉(zhuǎn)（Thread Jump）和延遲退棧（Deferred Stack Pops）兩種優(yōu)化。使用優(yōu)化選項(xiàng)“-O2”除了完成所有“-O1”級(jí)別的優(yōu)化之外，同時(shí)還要進(jìn)行一些額外的調(diào)整工作，如處理器指令調(diào)度等。選項(xiàng)“-O3”則還包括循環(huán)展開(kāi)和其他一些與處理器特性相關(guān)的優(yōu)化工作。雖然優(yōu)化選項(xiàng)可以加速代碼的運(yùn)行速度，但對(duì)于調(diào)試而言將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榇a在經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，原先在源程序中聲明和使用的變量很可能不再使用，控制流也可能會(huì)突然跳轉(zhuǎn)到意外的地方，循環(huán)語(yǔ)句也有可能因?yàn)檠h(huán)展開(kāi)而變得到處都有，所有這些對(duì)調(diào)試來(lái)講都將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。所以筆者建議在調(diào)試的時(shí)候最好不使用任何優(yōu)化選項(xiàng)，只有當(dāng)程序在最終發(fā)行的時(shí)候才考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
（4）體系結(jié)構(gòu)相關(guān)選項(xiàng)
Gcc的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)選項(xiàng)如表3.9 所示。
表3.9 Gcc體系結(jié)構(gòu)相關(guān)選項(xiàng)列表
選 項(xiàng) 含 義
-mcpu=type 針對(duì)不同的CPU使用相應(yīng)的CPU指令。可選擇的type有i386、i486、pentium及i686等
-mieee-fp 使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的比較
-mno-ieee-fp 不使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的比較
-msoft-float 輸出包含浮點(diǎn)庫(kù)調(diào)用的目標(biāo)代碼
-mshort 把int類(lèi)型作為16位處理，相當(dāng)于short int
-mrtd 強(qiáng)行將函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)固定的函數(shù)用ret NUM返回，節(jié)省調(diào)用函數(shù)的一條指令
這些體系結(jié)構(gòu)相關(guān)選項(xiàng)在嵌入式的設(shè)計(jì)中會(huì)有較多的應(yīng)用，讀者需根據(jù)不同體系結(jié)構(gòu)將
對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)進(jìn)行組合處理。在本書(shū)后面涉及到具體實(shí)例會(huì)有針對(duì)性的講解。