gcc 命令詳解及最佳實踐

介紹

GCC（英文全拼：GNU Compiler Collection）是 GNU 工具鏈的主要組成部分，是一套以 GPL 和 LGPL 許可證發布的程式語言編譯器自由軟體，由 Richard Stallman 于 1985 年開始開發，

GCC 原名為 GNU C語言編譯器，因為它原本只能處理 C 語言，但如今的 GCC 不僅可以編譯 C、C++ 和 Objective-C，還可以通過不同的前端模塊支持各種語言，包括 Java、Fortran、Ada、Pascal、Go 和 D 語言等等，

編譯程序

GCC 的編譯程序可以劃分為四個階段：預處理（Pre-Processing）、編譯（Compiling）、匯編（Assembling）以及鏈接（Linking），

Linux 程式員可以根據自己的需要控制 GCC 的編譯階段，以便檢查或使用編譯器在該階段的輸出資訊，幫助除錯和優化程式，以 C 語言為例，從源檔案的編譯到可執行檔案的運行，整個程序大致如下，

各檔案后綴說明如下：

語法

gcc [options] file...

選項

• -pass-exit-codes ：從一個階段以最高錯誤代碼退出，
• --target-help ：顯示特定于目標的命令列選項，
• --help={common|optimizers|params|target|warnings|[^]{joined|separate|undocumented}}[,...] ：顯示特定型別的命令列選項（使用 -v --help 顯示子行程的命令列選項），
• -dumpspecs ：顯示所有內置規范字串，
• -dumpversion ：顯示編譯器的版本，
• -dumpmachine ：顯示編譯器的目標處理器，
• -print-search-dirs ：顯示編譯器搜索路徑中的目錄，
• -print-libgcc-file-name ：顯示編譯器配套庫的名稱，
• -print-file-name=<lib> ：顯示庫 <lib> 的完整路徑，
• -print-prog-name=<prog> ：顯示編譯器組件 <prog> 的完整路徑，
• -print-multiarch ：顯示目標的規范化 GNU 三元組，用作庫路徑中的一個組件，
• -print-multi-directory ：顯示 libgcc 版本的根目錄，
• -print-multi-lib ：顯示命令列選項和多個庫搜索目錄之間的映射，
• -print-multi-os-directory ：顯示作業系統庫的相對路徑，
• -print-sysroot ：顯示目標庫目錄，
• -print-sysroot-headers-suffix ：顯示用于查找標題的 sysroot 后綴，
• -Wa,<options> ：將逗號分隔的 <options> 傳遞給匯編器（assembler），
• -Wp,<options> ：將逗號分隔的 <options> 傳遞給前處理器（preprocessor），
• -Wl,<options> ：將逗號分隔的 <options> 傳遞給聯結器（linker），
• -Xassembler <arg> ：將 <arg> 傳遞給匯編器（assembler），
• -Xpreprocessor <arg> ：將 <arg> 傳遞給前處理器（preprocessor），
• -Xlinker <arg> ：將 <arg> 傳遞給聯結器（linker），
• -save-temps ：不用洗掉中間檔案，
• -save-temps=<arg> ：不用洗掉指定的中間檔案，
• -no-canonical-prefixes ：在構建其他 gcc 組件的相對前綴時，不要規范化路徑，
• -pipe ：使用管道而不是中間檔案，
• -time ：為每個子流程的執行計時，
• -specs=<file> ：使用 <file> 的內容覆寫內置規范，
• -std=<standard> ：假設輸入源為 <standard>，
• --sysroot=<directory> ：使用 <directory> 作為頭檔案和庫的根目錄，
• -B <directory> ：將 <directory> 添加到編譯器的搜索路徑，
• -v ：顯示編譯器呼叫的程式，
• -### ：與 -v 類似，但參考的選項和命令不執行，
• -E ：僅執行預處理（不要編譯、匯編或鏈接），
• -S ：只編譯（不匯編或鏈接），
• -c ：編譯和匯編，但不鏈接，
• -o <file> ：指定輸出檔案，
• -pie ：創建一個動態鏈接、位置無關的可執行檔案，
• -I ：指定頭檔案的包含路徑，
• -L ：指定鏈接庫的包含路徑，
• -shared ：創建共享庫/動態庫，
• -static ：使用靜態鏈接，
• --help ：顯示幫助資訊，
• --version ：顯示編譯器版本資訊，

示例

階段編譯

假設有檔案 hello.c，內容如下：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\n");
    return 0;
}

編譯 hello.c，默認輸出 a.out

gcc hello.c

編譯 hello.c 并指定輸出檔案為 hello

gcc hello.c -o hello

只執行預處理，輸出 hello.i 源檔案

gcc -E hello.c -o hello.i

只執行預處理和編譯，輸出 hello.s 匯編檔案

gcc -S hello.c

也可以由 hello.i 檔案生成 hello.s 匯編檔案

gcc -S hello.i -o hello.s

只執行預處理、編譯和匯編，輸出 hello.o 目標檔案

gcc -c hello.c

也可以由 hello.i 或 hello.s 生成目標檔案 hello.o

gcc -c hello.i -o hello.o
gcc -c hello.s -o hello.o

由 hello.o 目標檔案鏈接成可執行檔案 hello

gcc hello.o -o hello

使用靜態庫

創建一個 foo.c 檔案，內容如下：

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
    printf("Here is a static library\n");
}

將 foo.c 編譯成靜態庫 libfoo.a

gcc -c foo.c             # 生成 foo.o 目標檔案
ar rcs libfoo.a foo.o    # 生成 libfoo.a 靜態庫

查看檔案描述

$ file *
foo.c:    C source, ASCII text
foo.o:    ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped
libfoo.a: current ar archive

修改 hello.c 檔案，呼叫 foo 函式

#include <stdio.h>

void foo(void);

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\n");
    foo();
    return 0;
}

編譯 hello.c 并鏈接靜態庫 libfoo.a（加上 -static 選項）

gcc hello.c -static libfoo.a -o hello

也可以使用 -L 指定庫的搜索路徑，并使用 -l 指定庫名

gcc hello.c -static -L. -lfoo -o hello

運行結果

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a static library

查看 hello 檔案描述

$ file hello
hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=b72236c2211dd8f0c3003bc02ad5e70bb2354e8c, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped

使用共享庫

修改 foo.c 檔案，內容如下：

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
    printf("Here is a shared library\n");
}

將其編譯為動態庫/共享庫（由于動態庫可以被多個行程共享加載，所以需要使用 -fPIC 選項生成位置無關的代碼

gcc foo.c -shared -fPIC -o libfoo.so

hello.c 代碼無需修改，內容仍然如下：

#include <stdio.h>

void foo(void);

int main(void)
{
    printf("Hello, GetIoT\n");
    foo();
    return 0;
}

編譯 hello.c 并鏈接共享庫 libfoo.so

gcc hello.c libfoo.so -o hello

也可以使用 -L 和 -l 選項指定庫的路徑和名稱

gcc hello.c -L. -lfoo -o hello

但是此時運行 hello 程式失敗

$ ./hello
./hello: error while loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared object file: No such file or directory

原因是找不到 libfoo.so 共享庫

$ ldd hello
        linux-vdso.so.1 (0x00007fff5276d000)
        libfoo.so => not found
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fcc90fa7000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fcc911bd000)

這是因為 libfoo.so 并不在 Linux 系統的默認搜索目錄中，解決辦法是我們主動告訴系統，libfoo.so 共享庫在哪里，

方式一：設定環境變數 LD_LIBRARY_PATH

export LD_LIBRARY_PATH=$(pwd)

將 libfoo.so 所在的當前目錄添加到 LD_LIBRARY_PATH 變數，再次執行 hello

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a shared library

方式二：使用 rpath 將共享庫位置嵌入到程式

gcc hello.c -L. -lfoo -Wl,-rpath=`pwd` -o hello

rpath 即 run path，是種可以將共享庫位置嵌入程式中的方法，從而不用依賴于默認位置和環境變數，這里在鏈接時使用 -Wl,-rpath=/path/to/yours 選項，-Wl 會發送以逗號分隔的選項到聯結器，注意逗號分隔符后面沒有空格哦，

這種方式要求共享庫必須有一個固定的安裝路徑，欠缺靈活性，不過如果設定了 LD_LIBRARY_PATH，程式加載時也是會到相應路徑尋找共享庫的，

方式三：將 libfoo.so 共享庫添加到系統路徑

sudo cp libfoo.so /usr/lib/

執行程式

$ ./hello
Hello, GetIoT
Here is a shared library

如果 hello 程式仍然運行失敗，請嘗試執行 ldconfig 命令更新共享庫的快取串列，

此時，再次查看 hello 程式的共享庫依賴

$ ldd hello
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffecfbb1000)
        libfoo.so => /lib/libfoo.so (0x00007f3f3f1ad000)
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f3f3efbb000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f3f3f1d6000)

可以看到 libfoo.so 已經被發現了，其中 /lib 是 /usr/lib 目錄的軟鏈接，

示例代碼可以在 GitHub 找到，