如何使用gcc編譯器?

GCC rules

你能想象使用封閉源代碼的私有編譯器編譯自由軟件嗎？你怎麼知道編譯器在你的可執行文件中加入了什麼？可能會加入各種後門和木馬。Ken Thompson是一個著名的黑客，他編寫了一個編譯器，當編譯器編譯自己時，就在"login"程序中留下後門和永久的木馬。請到 這裏 閱讀他對這個傑作的描述。幸運的是，我們有了gcc。當你進行 configure; make; make install 時， gcc在幕後做了很多繁重的工作。如何才能讓gcc爲我們工作呢？我們將開始編寫一個紙牌遊戲，不過我們只是爲了演示編譯器的功能，所以儘可能地精簡了代碼。我們將從頭開始一步一步地做，以便理解編譯過程，瞭解爲了製作可執行文件需要做些什麼，按什麼順序做。我們將看看如何編譯C程序，以及如何使用編譯選項讓gcc按照我們的要求工作。步驟（以及所用工具）如下： 預編譯 (gcc -E)， 編譯 (gcc)， 彙編 (as)，和 連接 (ld)。

開始...

首先，我們應該知道如何調用編譯器。實際上，這很簡單。我們將從那個著名的第一個C程序開始。（各位老前輩，請原諒我）。

＃i nclude <stdio.h>

int main()


{
  printf("Hello World!/n");
}

把這個文件保存爲 game.c。 你可以在命令行下編譯它：

gcc game.c

在默認情況下，C編譯器將生成一個名爲 a.out 的可執行文件。你可以鍵入如下命令運行它：

a.out

Hello World

每一次編譯程序時，新的 a.out 將覆蓋原來的程序。你無法知道是哪個程序創建了 a.out。我們可以通過使用 -o 編譯選項，告訴 gcc我們想把可執行文件叫什麼名字。我們將把這個程序叫做 game，我們可以使用任何名字，因爲C沒有Java那樣的命名限制。

gcc -o game game.c

game
Hello World

到現在爲止，我們離一個有用的程序還差得很遠。如果你覺得沮喪，你可以想一想我們已經編譯並運行了一個程序。因爲我們將一點一點爲這個程序添加功能，所以我們必須保證讓它能夠運行。似乎每個剛開始學編程的程序員都想一下子編一個1000行的程序，然後一次修改所有的錯誤。沒有人，我是說沒有人，能做到這個。你應該先編一個可以運行的小程序，修改它，然後再次讓它運行。這可以限制你一次修改的錯誤數量。另外，你知道剛纔做了哪些修改使程序無法運行，因此你知道應該把注意力放在哪裏。這可以防止這樣的情況出現：你認爲你編寫的東西應該能夠工作，它也能通過編譯，但它就是不能運行。請切記，能夠通過編譯的程序並不意味着它是正確的。

下一步爲我們的遊戲編寫一個頭文件。頭文件把數據類型和函數聲明集中到了一處。這可以保證數據結構定義的一致性，以便程序的每一部分都能以同樣的方式看待一切事情。

#ifndef DECK_H
#define DECK_H

#define DECKSIZE 52

typedef struct deck_t
{
  int card[DECKSIZE];
  /* number of cards used */
  int dealt;
}deck_t;

#endif /* DECK_H */

把這個文件保存爲 deck.h。只能編譯 .c 文件，所以我們必須修改 game.c。在game.c的第2行，寫上 ＃i nclude "deck.h"。在第5行寫上 deck_t deck;。爲了保證我們沒有搞錯，把它重新編譯一次。

gcc -o game game.c

如果沒有錯誤，就沒有問題。如果編譯不能通過，那麼就修改它直到能通過爲止。

 

預編譯

編譯器是怎麼知道 deck_t 類型是什麼的呢？因爲在預編譯期間，它實際上把"deck.h"文件複製到了"game.c"文件中。源代碼中的預編譯指示以"#"爲前綴。你可以通過在gcc後加上 -E 選項來調用預編譯器。

gcc -E -o game_precompile.txt game.c
wc -l game_precompile.txt
  3199 game_precompile.txt

幾乎有3200行的輸出！其中大多數來自 stdio.h 包含文件，但是如果你查看這個文件的話，我們的聲明也在那裏。如果你不用 -o 選項指定輸出文件名的話，它就輸出到控制檯。預編譯過程通過完成三個主要任務給了代碼很大的靈活性。

1. 把"include"的文件拷貝到要編譯的源文件中。
2. 用實際值替代"define"的文本。
3. 在調用宏的地方進行宏替換。

這就使你能夠在整個源文件中使用符號常量（即用DECKSIZE表示一付牌中的紙牌數量），而符號常量是在一個地方定義的，如果它的值發生了變化，所有使用符號常量的地方都能自動更新。在實踐中，你幾乎不需要單獨使用 -E 選項，而是讓它把輸出傳送給編譯器。

 

編譯

作爲一箇中間步驟，gcc把你的代碼翻譯成彙編語言。它一定要這樣做，它必須通過分析你的代碼搞清楚你究竟想要做什麼。如果你犯了語法錯誤，它就會告訴你，這樣編譯就失敗了。人們有時會把這一步誤解爲整個過程。但是，實際上還有許多工作要gcc去做呢。

 

彙編

as 把彙編語言代碼轉換爲目標代碼。事實上目標代碼並不能在CPU上運行，但它離完成已經很近了。編譯器選項 -c 把 .c 文件轉換爲以 .o 爲擴展名的目標文件。 如果我們運行

gcc -c game.c

我們就自動創建了一個名爲game.o的文件。這裏我們碰到了一個重要的問題。我們可以用任意一個 .c 文件創建一個目標文件。正如我們在下面所看到的，在連接步驟中我們可以把這些目標文件組合成可執行文件。讓我們繼續介紹我們的例子。因爲我們正在編寫一個紙牌遊戲，我們已經把一付牌定義爲 deck_t，我們將編寫一個洗牌函數。這個函數接受一個指向deck類型的指針，並把一付隨機的牌裝入deck類型。它使用"drawn" 數組跟蹤記錄那些牌已經用過了。這個具有DECKSIZE個元素的數組可以防止我們重複使用一張牌。

＃i nclude <stdlib.h>
＃i nclude <stdio.h>
＃i nclude <time.h>
＃i nclude "deck.h"

static time_t seed = 0;

void shuffle(deck_t *pdeck)
{
  /* Keeps track of what numbers have been used */
  int drawn[DECKSIZE] = {0};
  int i;

  /* One time initialization of rand */
  if(0 == seed)
  {
    seed = time(NULL);
    srand(seed);
  }
  for(i = 0; i < DECKSIZE; i++)
  {
    int value = -1;
    do
    {
      value = rand() % DECKSIZE;
    }
    while(drawn[value] != 0);

    /* mark value as used */
    drawn[value] = 1;

    /* debug statement */
    printf("%i/n", value);
    pdeck->card[i] = value;
  }
  pdeck->dealt = 0;
  return;
}

把這個文件保存爲 shuffle.c。我們在這個代碼中加入了一條調試語句，以便運行時，能輸出所產生的牌號。這並沒有爲我們的程序添加功能，但是現在到了關鍵時刻，我們看看究竟發生了什麼。因爲我們的遊戲還在初級階段，我們沒有別的辦法確定我們的函數是否實現了我們要求的功能。使用那條printf語句，我們就能準確地知道現在究竟發生了什麼，以便在開始下一階段之前我們知道牌已經洗好了。在我們對它的工作感到滿意之後，我們可以把那一行語句從代碼中刪掉。這種調試程序的技術看起來很粗糙，但它使用最少的語句完成了調試任務。以後我們再介紹更復雜的調試器。

請注意兩個問題。

1. 我們用傳址方式傳遞參數，你可以從"&"（取地址）操作符看出來。這把變量的機器地址傳遞給了函數，因此函數自己就能改變變量的值。也可以使用全局變量編寫程序，但是應該儘量少使用全局變量。指針是C的一個重要組成部分，你應該充分地理解它。
2. 我們在一個新的 .c 文件中使用函數調用。操作系統總是尋找名爲"main"的函數，並從那裏開始執行。 shuffle.c 中沒有"main"函數，因此不能編譯爲獨立的可執行文件。我們必須把它與另一個具有"main"函數並調用"shuffle"的程序組合起來。

運行命令

gcc -c shuffle.c

並確定它創建了一個名爲 shuffle.o 的新文件。編輯game.c文件，在第7行，在 deck_t類型的變量 deck 聲明之後，加上下面這一行：

shuffle(&deck);

現在，如果我們還象以前一樣創建可執行文件，我們就會得到一個錯誤

gcc -o game game.c

/tmp/ccmiHnJX.o: In function `main":
/tmp/ccmiHnJX.o(.text+0xf): undefined reference to `shuffle"
collect2: ld returned 1 exit status

編譯成功了，因爲我們的語法是正確的。但是連接步驟卻失敗了，因爲我們沒有告訴編譯器"shuffle"函數在哪裏。那麼，到底什麼是連接？我們怎樣告訴編譯器到哪裏尋找這個函數呢？

 

連接

連接器ld，使用下面的命令，接受前面由 as 創建的目標文件並把它轉換爲可執行文件

gcc -o game game.o shuffle.o

這將把兩個目標文件組合起來並創建可執行文件 game。

連接器從shuffle.o目標文件中找到 shuffle 函數，並把它包括進可執行文件。目標文件的真正好處在於，如果我們想再次使用那個函數，我們所要做的就是包含"deck.h" 文件並把 shuffle.o 目標文件連接到新的可執行文件中。

象這樣的代碼重用是經常發生的。雖然我們並沒有編寫前面作爲調試語句調用的 printf 函數，連接器卻能從我們用 ＃i nclude <stdlib.h> 語句包含的文件中找到它的聲明，並把存儲在C庫（/lib/libc.so.6）中的目標代碼連接進來。這種方式使我們可以使用已能正確工作的其他人的函數，只關心我們所要解決的問題。這就是爲什麼頭文件中一般只含有數據和函數聲明，而沒有函數體。一般，你可以爲連接器創建目標文件或函數庫，以便連接進可執行文件。我們的代碼可能產生問題，因爲在頭文件中我們沒有放入任何函數聲明。爲了確保一切順利，我們還能做什麼呢？

 

另外兩個重要選項

-Wall 選項可以打開所有類型的語法警告，以便幫助我們確定代碼是正確的，並且儘可能實現可移植性。當我們使用這個選項編譯我們的代碼時，我們將看到下述警告：

game.c:9: warning: implicit declaration of function `shuffle"

這讓我們知道還有一些工作要做。我們需要在頭文件中加入一行代碼，以便告訴編譯器有關 shuffle 函數的一切，讓它可以做必要的檢查。聽起來象是一種狡辯，但這樣做 可以把函數的定義與實現分離開來，使我們能在任何地方使用我們的函數，只要包含新的頭文件 並把它連接到我們的目標文件中就可以了。下面我們就把這一行加入deck.h中。

void shuffle(deck_t *pdeck);

這就可以消除那個警告信息了。

另一個常用編譯器選項是優化選項 -O# (即 -O2)。 這是告訴編譯器你需要什麼級別的優化。編譯器具有一整套技巧可以使你的代碼運行得更快一點。對於象我們這種小程序，你可能注意不到差別，但對於大型程序來說，它可以大幅度提高運行速度。你會經常碰到它，所以你應該知道它的意思。

 

調試

我們都知道，代碼通過了編譯並不意味着它按我們得要求工作了。你可以使用下面的命令驗證是否所有的號碼都被使用了

game | sort - n | less

並且檢查有沒有遺漏。如果有問題我們該怎麼辦？我們如何才能深入底層查找錯誤呢？

你可以使用調試器檢查你的代碼。大多數發行版都提供著名的調試器：gdb。如果那些衆多的命令行選項讓你感到無所適從，那麼你可以使用KDE提供的一個很好的前端工具 KDbg。還有一些其它的前端工具，它們都很相似。要開始調試，你可以選擇 File->Executable 然後找到你的 game 程序。當你按下F5鍵或選擇 Execution->從菜單運行時，你可以在另一個窗口中看到輸出。怎麼回事？在那個窗口中我們什麼也看不到。不要擔心，KDbg沒有出問題。問題在於我們在可執行文件中沒有加入任何調試信息，所以KDbg不能告訴我們內部發生了什麼。編譯器選項 -g 可以把必要的調試信息加入目標文件。你必須用這個選項編譯目標文件（擴展名爲.o），所以命令行成了：

gcc -g -c shuffle.c game.c
gcc -g -o game game.o shuffle.o

這就把鉤子放入了可執行文件，使gdb和KDbg能指出運行情況。調試是一種很重要的技術，很值得你花時間學習如何使用。調試器幫助程序員的方法是它能在源代碼中設置“斷點”。現在你可以用右鍵單擊調用 shuffle 函數的那行代碼，試着設置斷點。那一行邊上會出現一個紅色的小圓圈。現在當你按下F5鍵時，程序就會在那一行停止執行。按F8可以跳入shuffle函數。呵，我們現在可以看到 shuffle.c 中的代碼了！我們可以控制程序一步一步地執行，並看到究竟發生了什麼事。如果你把光標暫停在局部變量上，你將能看到變量的內容。太好了。這比那條 printf 語句好多了，是不是？

 

小結

本文大體介紹了編譯和調試C程序的方法。我們討論了編譯器走過的步驟，以及爲了讓編譯器做這些工作應該給gcc傳遞哪些選項。我們簡述了有關連接共享函數庫的問題，最後介紹了調試器。真正瞭解你所從事的工作還需要付出許多努力，但我希望本文能讓你正確地起步。你可以在 gcc、 as 和 ld的 man 和 info page中找到更多的信息。

自己編寫代碼可以讓你學到更多的東西。作爲練習你可以以本文的紙牌遊戲爲基礎，編寫一個21點遊戲。那時你可以學學如何使用調試器。使用GUI的KDbg開始可以更容易一些。如果你每次只加入一點點功能，那麼很快就能完成。切記，一定要保持程序一直能運行！

要想編寫一個完整的遊戲，你需要下面這些內容：

• 一個紙牌玩家的定義（即，你可以把deck_t定義爲player_t）。
• 一個給指定玩家發一定數量牌的函數。記住在紙牌中要增加“已發牌”的數量，以便能知道還有那些牌可發。還要記住玩家手中還有多少牌。
• 一些與用戶的交互，問問玩家是否還要另一張牌。
• 一個能打印玩家手中的牌的函數。 card 等於value % 13 （得數爲0到12），suit 等於 value / 13 （得數爲0到3）。
• 一個能確定玩家手中的value的函數。Ace的valu
• e爲零並且可以等於1或11。King的value爲12並且可以等於10。

站點鏈接

• gcc GCC GNU Compiler Collection
• gdb GNU Debugger
• KDbg KDE's GUI Debugger
• Award Winning Compiler Hack Ken Thompson's great compiler hack