GCC 簡介#

GCC（GNU Compiler Collection）原本稱為 GNU C Compiler，隨著時代演進陸續支援 Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada、Go 等程式語言後，才改稱 GNU Compiler Collection。

本篇文章只會探討 C 語言的部分，不會對其他程式語言多做介紹。

關於 GNU 計畫，可參考相關介紹文章。

C 語言的編譯流程#

要將 C 語言編譯成可執行檔，需要經過多個流程：

  1. 預處理

    將 include、macro 擴展成真正的內容，經過這一步驟後，檔案會變大許多。使用 GCC 進行預處理的方式如下：

    gcc -E -I./src main.c -o main.i
    • -E 會讓 gcc 僅對 C 程式做預處理。
    • -I 用來指定自定義標頭檔的優先搜尋目錄，若你定義的標頭檔與程式碼同目錄，就可以忽略該參數。
    • -o 指定輸出檔案的檔名與格式。

  2. 編譯

    將預處理過的程式碼編譯成組合語言，而組合語言又會因為不同的處理器架構出現差異，如果要在 x86 平台編譯出 ARM 平台能執行的程式碼，就會需要做交叉編譯。使用 GCC 進行編譯的方法：

    gcc -S -I./src main.c -o main.s
    • -S 僅輸出 C 程式對應的組合語言。

  3. 組譯

    經過編譯後，我們會得到組合語言檔案，也就是 *.s 檔案。不過，若要讓電腦能夠執行我們的程式碼，我們仍需要將其轉換成機器碼。

    gcc -c main.s -o main.o
    • -c 僅編譯 C 程式，但不連結，即輸出對應的目標碼。

  4. 連結

    連結會將多個目標檔或是 library 連結成可執行檔。

    gcc -o main main.o

    得到可執行檔後，可以在 shell command 輸入以下命令執行程式：

    ./main

    如果有多個機器碼最後會被連結成一個可執行檔案，也可以這麼做：

    gcc -o main a.o b.o c.o

    這樣一來，如果開發者更動了其中一個檔案，我們只需對有更動的檔案進行編譯再連結起來，可以大幅節省編譯的時間。

其他常見參數#

除了最基本的編譯，當然還要學習其他 GCC 內建的強大功能！

程式最佳化#

GCC 可以針對不同的處理器架構對程式進行最佳化：

  • O0
  • O1
  • O2（常用）
  • Os
  • O3（最佳化）
gcc -O2 -o main main.c

顯示錯誤資訊#

考慮以下程式碼：

#include <stdio.h>
int main(){
    int n;
    printf("number is %d\n", n);
    return 0;
}

該程式中，n 並沒有被正確初始化，不過 GCC 預設是不會有錯誤提示的，若開發者有需要，可以使用 -Wall 參數：

gcc -Wall -o main main.c

使用 GNU Debugger#

若我們需要使用 GDB（GNU Debugger）進行除錯，在編譯之前，我們需要添加 -g 參數告知 GCC 要盡可能地提供資訊給 GDB：

gcc -Wall -g -o main main.c

Verbose Mode#

我們可以使用 -v 參數啟用 verbose mode，獲得詳細的編譯訊息：

gcc -v main.c

Macro#

假設開發者在程式中埋了一段程式碼，該程式碼只被用於除錯：

#include <stdio.h>
int main(){
    int n = 0;
    for(int i = 0; i < 1000; i++){
        n += i;
        #ifdef DEBUG
        printf("n is %d\n", n);
        #endif
    }
    return 0;
}

我們除了可以在程式碼中加入 #define DEBUG 外，還可以直接對 GCC 下 -D 參數：

gcc -DDEBUG -o main main.c

除了可以用 -D 定義 Macro，GCC 還允許開發者使用 -U 參數取消定義：

gcc -UDEBUG -o main main.c

標頭檔目錄#

剛剛已經在「預處理」的部分提到 -I 的用途。此外，GCC 在編譯程式時只預設引入一部份的標頭檔，如果程式需要使用特別的 Library 進行編譯，可以使用 -l 與 -L 參數：

  • -l 告知 GCC 編譯程式時需要使用這個 Library，以 POSIX Thread 為例：

    gcc -lpthread -o main.out main.c

    需要注意的是，這裡的 Library name 不等於檔案名稱，在 Linux 下的函式庫都要使用 lib 開頭，其中 *.so 是動態連結函式庫，*.a 是靜態連結函式庫。由此可知，把 File name 的 lib 和 .so 去掉就是 Library name 了。

  • -L：只要函式庫的存放路徑為：

    • /lib
    • /usr/lib
    • /usr/local/lib

    都可以直接使用 -l 進行連結；換句話說，如果 Library 的位置並非上述的目錄，我們就需要用 -L 告知 GCC Library File 所在的目錄位置：

    gcc -lsum -L/home/gtwang/lib -o main.out main.c

查找依賴關係#

Makefile 可以讓開發者省略複雜的編譯選項及參數，考慮以下專案結構：

|-- project
    |-- src/
    |   |-- main.c
    |   |-- linked-list.c
    |   |-- linked-list.h
    |   |-- node.c
    |   |-- node.h

並且，在 main.c 中引用了 linked-list.h，當我們使用下面命令，就可以查找出 main.c 的依賴關係：

gcc -MM main.c

輸出：

main.o: main.c linked-list.h

再假設 linked-list.h 中有使用到 node.h，輸出就會是：

main.o: main.c linked-list.h node.h

如果希望將標準庫的依賴關係也列出來，使用 -M 即可：

gcc -M main.c

關於依賴關係，還有相當多種參數可以玩，詳細資訊可以參考原文 Reference。

原文出處#

  • 原書／iThome：https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10271608
Backward GNU Debugger Makefile Forward