對c編譯器關(guān)注較多的朋友，都知道目前市場上主要流通3大c編譯器。本文中，主要介紹GCC c編譯器，講解內(nèi)容為該c編譯器的入門必備知識。如果你對GCC的入門知識不夠了解，那本文無疑是你的救星!!!
在為Linux開發(fā)應(yīng)用程序時，絕大多數(shù)情況下使用的都是C語言，因此幾乎每一位Linux程序員面臨的首要問題都是如何靈活運用C編譯器。目前 Linux下最常用的C語言編譯器是GCC(GNU Compiler Collection)，它是GNU項目中符合ANSI C標(biāo)準(zhǔn)的編譯系統(tǒng)，能夠編譯用C、C++和Object C等語言編寫的程序。GCC不僅功能非常強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也異常靈活。最值得稱道的一點就是它可以通過不同的前端模塊來支持各種語言，如Java、 Fortran、Pascal、Modula-3和Ada等。
開放、自由和靈活是Linux的魅力所在，而這一點在GCC上的體現(xiàn)就是程序員通過它能夠更好地控制整個編譯過程。在使用GCC編譯程序時，編譯過程可以被細(xì)分為四個階段：
◆ 預(yù)處理(Pre-Processing) ◆ 編譯(Compiling) ◆ 匯編(Assembling) ◆ 鏈接(Linking)
Linux 程序員可以根據(jù)自己的需要讓GCC在編譯的任何階段結(jié)束，以便檢查或使用編譯器在該階段的輸出信息，或者對最后生成的二進(jìn)制文件進(jìn)行控制，以便通過加入不 同數(shù)量和種類的調(diào)試代碼來為今后的調(diào)試做好準(zhǔn)備。和其它常用的編譯器一樣，GCC也提供了靈活而強(qiáng)大的代碼優(yōu)化功能，利用它可以生成執(zhí)行效率更高的代碼。 GCC提供了30多條警告信息和三個警告級別，使用它們有助于增強(qiáng)程序的穩(wěn)定性和可移植性。此外，GCC還對標(biāo)準(zhǔn)的C和C++語言進(jìn)行了大量的擴(kuò)展，提高程序的執(zhí)行效率，有助于編譯器進(jìn)行代碼優(yōu)化，能夠減輕編程的工作量。
GCC起步
在學(xué)習(xí)使用GCC之前，下面的這個例子能夠幫助用戶迅速理解GCC的工作原理，并將其立即運用到實際的項目開發(fā)中去。首先用熟悉的編輯器輸入清單1所示的代碼： 清單1：hello.c
#include int main(void){printf ("Hello world, Linux programming!/n");return 0;}
然后執(zhí)行下面的命令編譯和運行這段程序：
# gcc hello.c -o hello# ./helloHello world, Linux programming!
從 程序員的角度看，只需簡單地執(zhí)行一條GCC命令就可以了，但從編譯器的角度來看，卻需要完成一系列非常繁雜的工作。首先，GCC需要調(diào)用預(yù)處理程序 cpp，由它負(fù)責(zé)展開在源文件中定義的宏，并向其中插入"#include"語句所包含的內(nèi)容;接著，GCC會調(diào)用ccl和as將處理后的源代碼編譯成目 標(biāo)代碼;最后，GCC會調(diào)用鏈接程序ld，把生成的目標(biāo)代碼鏈接成一個可執(zhí)行程序。 為了更好地理解GCC的工作過程，可以把上述編譯過程分成幾個步驟單獨進(jìn)行，并觀察每步的運行結(jié)果。第一步是進(jìn)行預(yù)編譯，使用-E參數(shù)可以讓GCC在預(yù)處理結(jié)束后停止編譯過程：
# gcc -E hello.c -o hello.i
此時若查看hello.i文件中的內(nèi)容，會發(fā)現(xiàn)stdio.h的內(nèi)容確實都插到文件里去了，而其它應(yīng)當(dāng)被預(yù)處理的宏定義也都做了相應(yīng)的處理。下一步是將hello.i編譯為目標(biāo)代碼，這可以通過使用-c參數(shù)來完成：
# gcc -c hello.i -o hello.o
GCC默認(rèn)將.i文件看成是預(yù)處理后的C語言源代碼，因此上述命令將自動跳過預(yù)處理步驟而開始執(zhí)行編譯過程，也可以使用-x參數(shù)讓GCC從指定的步驟開始編譯。最后一步是將生成的目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件：
# gcc hello.o -o hello
在 采用模塊化的設(shè)計思想進(jìn)行軟件開發(fā)時，通常整個程序是由多個源文件組成的，相應(yīng)地也就形成了多個編譯單元，使用GCC能夠很好地管理這些編譯單元。假設(shè)有 一個由foo1.c和foo2.c兩個源文件組成的程序，為了對它們進(jìn)行編譯，并最終生成可執(zhí)行程序foo，可以使用下面這條命令：
# gcc foo1.c foo2.c -o foo
如果同時處理的文件不止一個，GCC仍然會按照預(yù)處理、編譯和鏈接的過程依次進(jìn)行。如果深究起來，上面這條命令大致相當(dāng)于依次執(zhí)行如下三條命令：
# gcc -c foo1.c -o foo1.o# gcc -c foo2.c -o foo2.o# gcc foo1.o foo2.o -o foo
在 編譯一個包含許多源文件的工程時，若只用一條GCC命令來完成編譯是非常浪費時間的。假設(shè)項目中有100個源文件需要編譯，并且每個源文件中都包含 10000行代碼，如果像上面那樣僅用一條GCC命令來完成編譯工作，那么GCC需要將每個源文件都重新編譯一遍，然后再全部連接起來。很顯然，這樣浪費的時間相當(dāng)多，尤其是當(dāng)用戶只是修改了其中某一個文件的時候，完全沒有必要將每個文件都重新編譯一遍，因為很多已經(jīng)生成的目標(biāo)文件是不會改變的。要解決這 個問題，關(guān)鍵是要靈活運用GCC，同時還要借助像Make這樣的工具。
警告提示功能
GCC包含完整的出錯檢查和警告提示功能，它們可以幫助Linux程序員寫出更加專業(yè)和優(yōu)美的代碼。先來讀讀清單2所示的程序，這段代碼寫得很糟糕，仔細(xì)檢查一下不難挑出很多毛?。?/p>
◆main函數(shù)的返回值被聲明為void，但實際上應(yīng)該是int; ◆使用了GNU語法擴(kuò)展，即使用long long來聲明64位整數(shù)，不符合ANSI/ISO C語言標(biāo)準(zhǔn); ◆main函數(shù)在終止前沒有調(diào)用return語句。
清單2：illcode.c
#include void main(void){long long int var = 1;printf("It is not standard C code!/n");}
下面來看看GCC是如何幫助程序員來發(fā)現(xiàn)這些錯誤的。當(dāng)GCC在編譯不符合ANSI/ISO C語言標(biāo)準(zhǔn)的源代碼時，如果加上了-pedantic選項，那么使用了擴(kuò)展語法的地方將產(chǎn)生相應(yīng)的警告信息：
# gcc -pedantic illcode.c -o illcodeillcode.c: In function `main':illcode.c:9: ISO C89 does not support `long long'illcode.c:8: return type of `main' is not `int'
需 要注意的是，-pedantic編譯選項并不能保證被編譯程序與ANSI/ISO C標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容，它僅僅只能用來幫助Linux程序員離這個目標(biāo)越來越近?；蛘邠Q句話說，-pedantic選項能夠幫助程序員發(fā)現(xiàn)一些不符合 ANSI/ISO C標(biāo)準(zhǔn)的代碼，但不是全部，事實上只有ANSI/ISO C語言標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行編譯器診斷的那些情況，才有可能被GCC發(fā)現(xiàn)并提出警告。 除了-pedantic之外，GCC還有一些其它編譯選項也能夠產(chǎn)生有用的警告信息。這些選項大多以-W開頭，其中最有價值的當(dāng)數(shù)-Wall了，使用它能夠使GCC產(chǎn)生盡可能多的警告信息：
# gcc -Wall illcode.c -o illcodeillcode.c:8: warning: return type of `main' is not `int'illcode.c: In function `main':illcode.c:9: warning: unused variable `var'
GCC給出的警告信息雖然從嚴(yán)格意義上說不能算作是錯誤，但卻很可能成為錯誤的棲身之所。一個優(yōu)秀的Linux程序員應(yīng)該盡量避免產(chǎn)生警告信息，使自己的代碼始終保持簡潔、優(yōu)美和健壯的特性。 在處理警告方面，另一個常用的編譯選項是-Werror，它要求GCC將所有的警告當(dāng)成錯誤進(jìn)行處理，這在使用自動編譯工具(如Make等)時非常有用。如 果編譯時帶上-Werror選項，那么GCC會在所有產(chǎn)生警告的地方停止編譯，迫使程序員對自己的代碼進(jìn)行修改。只有當(dāng)相應(yīng)的警告信息消除時，才可能將編 譯過程繼續(xù)朝前推進(jìn)。執(zhí)行情況如下：
# gcc -Wall -Werror illcode.c -o illcodecc1: warnings being treated as errorsillcode.c:8: warning: return type of `main' is not `int'illcode.c: In function `main':illcode.c:9: warning: unused variable `var'
對Linux程序員來講，GCC給出的警告信息是很有價值的，它們不僅可以幫助程序員寫出更加健壯的程序，而且還是跟蹤和調(diào)試程序的有力工具。建議在用GCC編譯源代碼時始終帶上-Wall選項，并把它逐漸培養(yǎng)成為一種習(xí)慣，這對找出常見的隱式編程錯誤很有幫助。
庫依賴
在Linux 下開發(fā)軟件時，完全不使用第三方函數(shù)庫的情況是比較少見的，通常來講都需要借助一個或多個函數(shù)庫的支持才能夠完成相應(yīng)的功能。從程序員的角度看，函數(shù)庫實際上就是一些頭文件(.h)和庫文件(.so或者.a)的集合。雖然Linux下的大多數(shù)函數(shù)都默認(rèn)將頭文件放到/usr/include/目錄下，而庫 文件則放到/usr/lib/目錄下，但并不是所有的情況都是這樣。正因如此，GCC在編譯時必須有自己的辦法來查找所需要的頭文件和庫文件。 GCC采用搜索目錄的辦法來查找所需要的文件，-I選項可以向GCC的頭文件搜索路徑中添加新的目錄。例如，如果在/home/xiaowp/include/目錄下有編譯時所需要的頭文件，為了讓GCC能夠順利地找到它們，就可以使用-I選項：
# gcc foo.c -I /home/xiaowp/include -o foo
同樣，如果使用了不在標(biāo)準(zhǔn)位置的庫文件，那么可以通過-L選項向GCC的庫文件搜索路徑中添加新的目錄。例如，如果在/home/xiaowp/lib/目錄下有鏈接時所需要的庫文件libfoo.so，為了讓GCC能夠順利地找到它，可以使用下面的命令：
# gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -lfoo -o foo
值 得好好解釋一下的是-l選項，它指示GCC去連接庫文件libfoo.so。Linux下的庫文件在命名時有一個約定，那就是應(yīng)該以lib三個字母開頭， 由于所有的庫文件都遵循了同樣的規(guī)范，因此在用-l選項指定鏈接的庫文件名時可以省去lib三個字母，也就是說GCC在對-lfoo進(jìn)行處理時，會自動去鏈接名為libfoo.so的文件。 Linux下的庫文件分為兩大類分別是動態(tài)鏈接庫(通常以.so結(jié)尾)和靜態(tài)鏈接庫(通常以.a 結(jié)尾)，兩者的差別僅在程序執(zhí)行時所需的代碼是在運行時動態(tài)加載的，還是在編譯時靜態(tài)加載的。默認(rèn)情況下，GCC在鏈接時優(yōu)先使用動態(tài)鏈接庫，只有當(dāng)動態(tài) 鏈接庫不存在時才考慮使用靜態(tài)鏈接庫，如果需要的話可以在編譯時加上-static選項，強(qiáng)制使用靜態(tài)鏈接庫。例如，如果在 /home/xiaowp/lib/目錄下有鏈接時所需要的庫文件libfoo.so和libfoo.a，為了讓GCC在鏈接時只用到靜態(tài)鏈接庫，可以使 用下面的命令：
# gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -static -lfoo -o foo
代碼優(yōu)化
代 碼優(yōu)化指的是編譯器通過分析源代碼，找出其中尚未達(dá)到最優(yōu)的部分，然后對其重新進(jìn)行組合，目的是改善程序的執(zhí)行性能。GCC提供的代碼優(yōu)化功能非常強(qiáng)大， 它通過編譯選項-On來控制優(yōu)化代碼的生成，其中n是一個代表優(yōu)化級別的整數(shù)。對于不同版本的GCC來講，n的取值范圍及其對應(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。 編譯時使用選項-O可以告訴GCC同時減小代碼的長度和執(zhí)行時間，其效果等價于-O1。在這 一級別上能夠進(jìn)行的優(yōu)化類型雖然取決于目標(biāo)處理器，但一般都會包括線程跳轉(zhuǎn)(Thread Jump)和延遲退棧(Deferred Stack Pops)兩種優(yōu)化。選項-O2告訴GCC除了完成所有-O1級別的優(yōu)化之外，同時還要進(jìn)行一些額外的調(diào)整工作，如處理器指令調(diào)度等。選項-O3則除了完 成所有-O2級別的優(yōu)化之外，還包括循環(huán)展開和其它一些與處理器特性相關(guān)的優(yōu)化工作。通常來說，數(shù)字越大優(yōu)化的等級越高，同時也就意味著程序的運行速度越快。許多Linux程序員都喜歡使用-O2選項，因為它在優(yōu)化長度、編譯時間和代碼大小之間，取得了一個比較理想的平衡點。
下面通過具體實例來感受一下GCC的代碼優(yōu)化功能，所用程序如清單3所示。 清單3：optimize.c
#include int main(void){double counter;double result;double temp;for (counter = 0; counter < 2000.0 * 2000.0 * 2000.0 / 20.0 + 2020; counter += (5 - 1) / 4) {temp = counter / 1979;result = counter; }printf("Result is %lf/n", result);return 0;}
首先不加任何優(yōu)化選項進(jìn)行編譯：
# gcc -Wall optimize.c -o optimize
借助Linux提供的time命令，可以大致統(tǒng)計出該程序在運行時所需要的時間：
# time ./optimizeResult is 400002019.000000real 0m14.942suser 0m14.940ssys 0m0.000s
接下去使用優(yōu)化選項來對代碼進(jìn)行優(yōu)化處理：
# gcc -Wall -O optimize.c -o optimize
在同樣的條件下再次測試一下運行時間：
# time ./optimizeResult is 400002019.000000real 0m3.256suser 0m3.240ssys 0m0.000s
對 比兩次執(zhí)行的輸出結(jié)果不難看出，程序的性能的確得到了很大幅度的改善，由原來的14秒縮短到了3秒。這個例子是專門針對GCC的優(yōu)化功能而設(shè)計的，因此優(yōu)化前后程序的執(zhí)行速度發(fā)生了很大的改變。盡管GCC的代碼優(yōu)化功能非常強(qiáng)大，但作為一名優(yōu)秀的Linux程序員，首先還是要力求能夠手工編寫出高質(zhì)量的代 碼。如果編寫的代碼簡短，并且邏輯性強(qiáng)，編譯器就不會做更多的工作，甚至根本用不著優(yōu)化。 優(yōu)化雖然能夠給程序帶來更好的執(zhí)行性能，但在如下一些場合中應(yīng)該避免優(yōu)化代碼： ◆ 程序開發(fā)的時候 優(yōu)化等級越高，消耗在編譯上的時間就越長，因此在開發(fā)的時候最好不要使用優(yōu)化選項，只有到軟件發(fā)行或開發(fā)結(jié)束的時候，才考慮對最終生成的代碼進(jìn)行優(yōu)化。 ◆ 資源受限的時候 一些優(yōu)化選項會增加可執(zhí)行代碼的體積，如果程序在運行時能夠申請到的內(nèi)存資源非常緊張(如一些實時嵌入式設(shè)備)，那就不要對代碼進(jìn)行優(yōu)化，因為由這帶來的負(fù)面影響可能會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。 ◆ 跟蹤調(diào)試的時候 在對代碼進(jìn)行優(yōu)化的時候，某些代碼可能會被刪除或改寫，或者為了取得更佳的性能而進(jìn)行重組，從而使跟蹤和調(diào)試變得異常困難。
調(diào)試
一個功能強(qiáng)大的調(diào)試器不僅為程序員提供了跟蹤程序執(zhí)行的手段，而且還可以幫助程序員找到解決問題的方法。對于Linux程序員來講，GDB(GNU Debugger)通過與GCC的配合使用，為基于Linux的軟件開發(fā)提供了一個完善的調(diào)試環(huán)境。 默 認(rèn)情況下，GCC在編譯時不會將調(diào)試符號插入到生成的二進(jìn)制代碼中，因為這樣會增加可執(zhí)行文件的大小。如果需要在編譯時生成調(diào)試符號信息，可以使用GCC 的-g或者-ggdb選項。GCC在產(chǎn)生調(diào)試符號時，同樣采用了分級的思路，開發(fā)人員可以通過在-g選項后附加數(shù)字1、2或3來指定在代碼中加入調(diào)試信息的多少。默認(rèn)的級別是2(-g2)，此時產(chǎn)生的調(diào)試信息包括擴(kuò)展的符號表、行號、局部或外部變量信息。級別3(-g3)包含級別2中的所有調(diào)試信息，以及源代碼中定義的宏。級別1(-g1)不包含局部變量和與行號有關(guān)的調(diào)試信息，因此只能夠用于回溯跟蹤和堆棧轉(zhuǎn)儲之用。回溯跟蹤指的是監(jiān)視程序在運行過程中的函數(shù)調(diào)用歷史，堆棧轉(zhuǎn)儲則是一種以原始的十六進(jìn)制格式保存程序執(zhí)行環(huán)境的方法，兩者都是經(jīng)常用到的調(diào)試手段。 GCC產(chǎn)生的調(diào)試符號具有普遍的適應(yīng)性，可以被許多調(diào)試器加以利用，但如果使用的是GDB，那么還可以通過-ggdb選項在生成的二進(jìn)制代碼中包含GDB專用的調(diào)試信息。這種 做法的優(yōu)點是可以方便GDB的調(diào)試工作，但缺點是可能導(dǎo)致其它調(diào)試器(如DBX)無法進(jìn)行正常的調(diào)試。選項-ggdb能夠接受的調(diào)試級別和-g是完全一樣 的，它們對輸出的調(diào)試符號有著相同的影響。 需要注意的是，使用任何一個調(diào)試選項都會使最終生成的二進(jìn)制文件的大小急劇增加，同時增加程序在執(zhí)行時的開銷，因此調(diào)試選項通常僅在軟件的開發(fā)和調(diào)試階段使用。調(diào)試選項對生成代碼大小的影響從下面的對比過程中可以看出來：
# gcc optimize.c -o optimize# ls optimize -l-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 11649 Nov 20 08:53 optimize (未加調(diào)試選項)# gcc -g optimize.c -o optimize# ls optimize -l-rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 15889 Nov 20 08:54 optimize (加入調(diào)試選項)
雖然調(diào)試選項會增加文件的大小，但事實上Linux中的許多軟件在測試版本甚至最終發(fā)行版本中仍然使用了調(diào)試選項來進(jìn)行編譯，這樣做的目的是鼓勵用戶在發(fā)現(xiàn)問題時自己動手解決，是Linux的一個顯著特色。 下面還是通過一個具體的實例說明如何利用調(diào)試符號來分析錯誤，所用程序見清單4所示。 清單4：crash.c
#include int main(void){int input =0;printf("Input an integer:");scanf("%d", input);printf("The integer you input is %d/n", input);return 0;}
編譯并運行上述代碼，會產(chǎn)生一個嚴(yán)重的段錯誤(Segmentation fault)如下：
# gcc -g crash.c -o crash# ./crashInput an integer:10Segmentation fault
為了更快速地發(fā)現(xiàn)錯誤所在，可以使用GDB進(jìn)行跟蹤調(diào)試，方法如下：
# gdb crashGNU gdb Red Hat Linux (5.3post-0.20021129.18rh)......(gdb)
當(dāng)GDB提示符出現(xiàn)的時候，表明GDB已經(jīng)做好準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)試了，現(xiàn)在可以通過run命令讓程序開始在GDB的監(jiān)控下運行：
(gdb) runStarting program: /home/xiaowp/thesis/gcc/code/crashInput an integer:10Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6
仔 細(xì)分析一下GDB給出的輸出結(jié)果不難看出，程序是由于段錯誤而導(dǎo)致異常中止的，說明內(nèi)存操作出了問題，具體發(fā)生問題的地方是在調(diào)用 _IO_vfscanf_internal ( )的時候。為了得到更加有價值的信息，可以使用GDB提供的回溯跟蹤命令backtrace，執(zhí)行結(jié)果如下：
(gdb) backtrace
#0 0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6
#1 0xbffff0c0 in ?? ()
#2 0x4008e0ba in scanf () from /lib/libc.so.6
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
#4 0x40042917 in __libc_start_main () from /lib/libc.so.6
跳過輸出結(jié)果中的前面三行，從輸出結(jié)果的第四行中不難看出，GDB已經(jīng)將錯誤定位到crash.c中的第11行了?，F(xiàn)在仔細(xì)檢查一下：
(gdb) frame 3
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
11 scanf("%d", input);
使用GDB提供的frame命令可以定位到發(fā)生錯誤的代碼段，該命令后面跟著的數(shù)值可以在backtrace命令輸出結(jié)果中的行首找到。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)錯誤所在了，應(yīng)該將 scanf("%d", input);改為scanf("%d", &input);完成后就可以退出GDB了，命令如下：
(gdb) quit
GDB的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，它還可以單步跟蹤程序、檢查內(nèi)存變量和設(shè)置斷點等。 調(diào) 試時可能會需要用到編譯器產(chǎn)生的中間結(jié)果，這時可以使用-save-temps選項，讓GCC將預(yù)處理代碼、匯編代碼和目標(biāo)代碼都作為文件保存起來。如果 想檢查生成的代碼是否能夠通過手工調(diào)整的辦法來提高執(zhí)行性能，在編譯過程中生成的中間文件將會很有幫助，具體情況如下：
# gcc -save-temps foo.c -o foo# ls foo*foo foo.c foo.i foo.s
GCC 支持的其它調(diào)試選項還包括-p和-pg，它們會將剖析(Profiling)信息加入到最終生成的二進(jìn)制代碼中。剖析信息對于找出程序的性能瓶頸很有幫助，是協(xié)助Linux程序員開發(fā)出高性能程序的有力工具。在編譯時加入-p選項會在生成的代碼中加入通用剖析工具(Prof)能夠識別的統(tǒng)計信息，而- pg選項則生成只有GNU剖析工具(Gprof)才能識別的統(tǒng)計信息。 最后提醒一點，雖然GCC允許在優(yōu)化的同時加入調(diào)試符號信息， 但優(yōu)化后的代碼對于調(diào)試本身而言將是一個很大的挑戰(zhàn)。代碼在經(jīng)過優(yōu)化之后，在源程序中聲明和使用的變量很可能不再使用，控制流也可能會突然跳轉(zhuǎn)到意外的地方，循環(huán)語句有可能因為循環(huán)展開而變得到處都有，所有這些對調(diào)試來講都將是一場噩夢。建議在調(diào)試的時候最好不使用任何優(yōu)化選項，只有當(dāng)程序在最終發(fā)行的時 候才考慮對其進(jìn)行優(yōu)化。
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