GNU CC（簡稱爲Gcc）是GNU項目中符合ANSI C標準的編譯系統，能夠編譯用C、C++和Object C等語言編寫的程序。Gcc不僅功能強大，而且可以編譯如C、C++、Object C、Java、Fortran、Pascal、Modula-3和Ada等多種語言，而且Gcc又是一個交叉平臺編譯器，它能夠在當前CPU平臺上爲多種不同體系結構的硬件平臺開發軟件，因此尤其適合在嵌入式領域的開發編譯。本章中的示例，除非特別註明，否則均採用Gcc版本爲4.0.0。
GCC入門基礎
表3.6 Gcc所支持後綴名解釋
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後 綴 名 |
所對應的語言 |
後 綴 名 |
所對應的語言 |
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.c |
C原始程序 |
.s/.S |
彙編語言原始程序 |
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.C/.cc/.cxx |
C++原始程序 |
.h |
預處理文件（頭文件） |
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.m |
Objective-C原始程序 |
.o |
目標文件 |
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.i |
已經過預處理的C原始程序 |
.a/.so |
編譯後的庫文件 |
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.ii |
已經過預處理的C++原始程序 |
如本章開頭提到的，Gcc的編譯流程分爲了四個步驟，分別爲：
· 預處理（Pre-Processing）
· 編譯（Compiling）
· 彙編（Assembling）
· 鏈接（Linking）
下面就具體來查看一下Gcc是如何完成四個步驟的。
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）預處理階段
在該階段，編譯器將上述代碼中的stdio.h編譯進來，並且用戶可以使用Gcc的選項”-E”進行查看，該選項的作用是讓Gcc在預處理結束後停止編譯過程。
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注意 |
Gcc指令的一般格式爲：Gcc [選項] 要編譯的文件 [選項] [目標文件] 其中，目標文件可缺省，Gcc默認生成可執行的文件，命爲：編譯文件.out |
[root@localhost Gcc]# Gcc –E hello.c –o hello.i
在此處，選項”-o”是指目標文件，由表3.6可知，”.i”文件爲已經過預處理的C原始程序。以下列出了hello.i文件的部分內容：
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，Gcc確實進行了預處理，它把”stdio.h”的內容插入到hello.i文件中。
（2）編譯階段
接下來進行的是編譯階段，在這個階段中，Gcc首先要檢查代碼的規範性、是否有語法錯誤等，以確定代碼的實際要做的工作，在檢查無誤後，Gcc把代碼翻譯成彙編語言。用戶可以使用”-S”選項來進行查看，該選項只進行編譯而不進行彙編，生成彙編代碼。
[root@localhost Gcc]# Gcc –S hello.i –o hello.s
以下列出了hello.s的內容，可見Gcc已經將其轉化爲彙編了，感興趣的讀者可以分析一下這一行簡單的C語言小程序是如何用匯編代碼實現的。
.file "hello.c"
.section .rodata
.align 4
.LC0:
.string"Hello! This is our embedded world!"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
pushl �p
movl %esp, �p
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, �x
addl $15, �x
addl $15, �x
shrl $4, �x
sall $4, �x
subl �x, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0
call puts
addl $16, %esp
movl $0, �x
leave
ret
.size main, .-main
.ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)"
.section .n
（3）彙編階段
彙編階段是把編譯階段生成的”.s”文件轉成目標文件，讀者在此可使用選項”-c”就可看到彙編代碼已轉化爲”.o”的二進制目標代碼了。如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –c hello.s –o hello.o
（4）鏈接階段
在成功編譯之後，就進入了鏈接階段。在這裏涉及到一個重要的概念：函數庫。
讀者可以重新查看這個小程序，在這個程序中並沒有定義”printf”的函數實現，且在預編譯中包含進的”stdio.h”中也只有該函數的聲明，而沒有定義函數的實現，那麼，是在哪裏實現”printf”函數的呢？最後的答案是：系統把這些函數實現都被做到名爲libc.so.6的庫文件中去了，在沒有特別指定時，Gcc會到系統默認的搜索路徑”/usr/lib”下進行查找，也就是鏈接到libc.so.6庫函數中去，這樣就能實現函數”printf”了，而這也就是鏈接的作用。
函數庫一般分爲靜態庫和動態庫兩種。靜態庫是指編譯鏈接時，把庫文件的代碼全部加入到可執行文件中，因此生成的文件比較大，但在運行時也就不再需要庫文件了。其後綴名一般爲”.a”。動態庫與之相反，在編譯鏈接時並沒有把庫文件的代碼加入到可執行文件中，而是在程序執行時由運行時鏈接文件加載庫，這樣可以節省系統的開銷。動態庫一般後綴名爲”.so”，如前面所述的libc.so.6就是動態庫。Gcc在編譯時默認使用動態庫。
完成了鏈接之後，Gcc就可以生成可執行文件，如下所示。
[root@localhost Gcc]# Gcc hello.o –o hello
運行該可執行文件，出現正確的結果如下。
[root@localhost Gcc]# ./hello
Hello! This is our embedded world!
Gcc編譯選項分析
Gcc有超過100個的可用選項，主要包括總體選項、告警和出錯選項、優化選項和體系結構相關選項。以下對每一類中最常用的選項進行講解。
（1）總體選項
Gcc的總結選項如表3.7所示，很多在前面的示例中已經有所涉及。
表3.7 Gcc總體選項列表
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後綴名 |
所對應的語言 |
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-c |
只是編譯不鏈接，生成目標文件“.o” |
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-S |
只是編譯不彙編，生成彙編代碼 |
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-E |
只進行預編譯，不做其他處理 |
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-g |
在可執行程序中包含標準調試信息 |
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-o file |
把輸出文件輸出到file裏 |
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-v |
打印出編譯器內部編譯各過程的命令行信息和編譯器的版本 |
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-I dir |
在頭文件的搜索路徑列表中添加dir目錄 |
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-L dir |
在庫文件的搜索路徑列表中添加dir目錄 |
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-static |
鏈接靜態庫 |
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-llibrary |
連接名爲library的庫文件 |
對於“-c”、“-E”、“-o”、“-S”選項在前一小節中已經講解了其使用方法，在此主要講解另外兩個非常常用的庫依賴選項“-I dir”和“-L dir”。
· “-I dir”
正如上表中所述，“-I dir”選項可以在頭文件的搜索路徑列表中添加dir目錄。由於Linux中頭文件都默認放到了“/usr/include/”目錄下，因此，當用戶希望添加放置在其他位置的頭文件時，就可以通過“-I dir”選項來指定，這樣，Gcc就會到相應的位置查找對應的目錄。
比如在“/root/workplace/Gcc”下有兩個文件：
#include<my.h>
int main()
{
printf(“Hello!!n”);
return 0;
}
#include<stdio.h>
這樣，就可在Gcc命令行中加入“-I”選項：
[root@localhost Gcc] Gcc hello1.c –I /root/workplace/Gcc/ -o hello1
這樣，Gcc就能夠執行出正確結果。
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小知識 |
在include語句中，“<>”表示在標準路徑中搜索頭文件，““””表示在本目錄中搜索。故在上例中，可把hello1.c的“#include<my.h>”改爲“#include “my.h””，就不需要加上“-I”選項了。 |
· “-L dir”
默認庫的搜索路徑爲 ： /lib /usr/lib /usr/local/lib
選項“-L dir”的功能與“-I dir”類似，能夠在庫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”下的一個動態庫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，而沒有指定文件，因此不能在路徑中包含文件名。
另外值得詳細解釋一下的是“-l”選項，它指示Gcc去連接庫文件libsunq.so。由於在Linux下的庫文件命名時有一個規定：必須以lib三個字母開頭。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”-lsunq”進行處理時，會自動去鏈接名爲libsunq.so的文件。
（2）告警和出錯選項
Gcc的告警和出錯選項如表3.8所示。
表3.8 Gcc總體選項列表
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選項 |
含義 |
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-ansi |
支持符合ANSI標準的C程序 |
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-pedantic |
允許發出ANSI C標準所列的全部警告信息 |
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選項 |
含義 |
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-pedantic-error |
允許發出ANSI C標準所列的全部錯誤信息 |
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-w |
關閉所有告警 |
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-Wall |
允許發出Gcc提供的所有有用的報警信息 |
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-werror |
把所有的告警信息轉化爲錯誤信息，並在告警發生時終止編譯過程 |
下面結合實例對這幾個告警和出錯選項進行簡單的講解。
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;
}
這是一個很糟糕的程序，讀者可以考慮一下有哪些問題？
· “-ansi”
該選項強制Gcc生成標準語法所要求的告警信息，儘管這還並不能保證所有沒有警告的程序都是符合ANSI C標準的。運行結果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –ansi warning.c –o warning
warning.c: 在函數“main”中：
warning.c:7 警告：在無返回值的函數中，“return”帶返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回類型不是“int”
可以看出，該選項並沒有發現”long long”這個無效數據類型的錯誤。
· “-pedantic”
允許發出ANSI C標準所列的全部警告信息，同樣也保證所有沒有警告的程序都是符合ANSI C標準的。其運行結果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –pedantic warning.c –o warning
warning.c: 在函數“main”中：
warning.c:5 警告：ISO C90不支持“long long”
warning.c:7 警告：在無返回值的函數中，“return”帶返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回類型不是“int”
可以看出，使用該選項查看出了”long long”這個無效數據類型的錯誤。
· “-Wall”
允許發出Gcc能夠提供的所有有用的報警信息。該選項的運行結果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –Wall warning.c –o warning
warning.c:4 警告：“main”的返回類型不是“int”
warning.c: 在函數”main”中：
warning.c:7 警告：在無返回值的函數中，”return”帶返回值
warning.c:5 警告：未使用的變量“tmp”
使用“-Wall”選項找出了未使用的變量tmp，但它並沒有找出無效數據類型的錯誤。
另外，Gcc還可以利用選項對單獨的常見錯誤分別指定警告，有關具體選項的含義感興趣的讀者可以查看Gcc手冊進行學習。
（3）優化選項
Gcc可以對代碼進行優化，它通過編譯選項“-On”來控制優化代碼的生成，其中n是一個代表優化級別的整數。對於不同版本的Gcc來講，n的取值範圍及其對應的優化效果可能並不完全相同，比較典型的範圍是從0變化到2或3。
不同的優化級別對應不同的優化處理工作。如使用優化選項“-O”主要進行線程跳轉（Thread Jump）和延遲退棧（Deferred Stack Pops）兩種優化。使用優化選項“-O2”除了完成所有“-O1”級別的優化之外，同時還要進行一些額外的調整工作，如處理器指令調度等。選項“-O3”則還包括循環展開和其他一些與處理器特性相關的優化工作。
雖然優化選項可以加速代碼的運行速度，但對於調試而言將是一個很大的挑戰。因爲代碼在經過優化之後，原先在源程序中聲明和使用的變量很可能不再使用，控制流也可能會突然跳轉到意外的地方，循環語句也有可能因爲循環展開而變得到處都有，所有這些對調試來講都將是一場噩夢。所以筆者建議在調試的時候最好不使用任何優化選項，只有當程序在最終發行的時候才考慮對其進行優化。
（4）體系結構相關選項
Gcc的體系結構相關選項如表3.9所示。
表3.9Gcc體系結構相關選項列表
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選項 |
含義 |
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-mcpu=type |
針對不同的CPU使用相應的CPU指令。可選擇的type有i386、i486、pentium及i686等 |
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-mieee-fp |
使用IEEE標準進行浮點數的比較 |
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-mno-ieee-fp |
不使用IEEE標準進行浮點數的比較 |
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-msoft-float |
輸出包含浮點庫調用的目標代碼 |
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-mshort |
把int類型作爲16位處理，相當於short int |
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-mrtd |
強行將函數參數個數固定的函數用ret NUM返回，節省調用函數的一條指令 |
這些體系結構相關選項在嵌入式的設計中會有較多的應用，讀者需根據不同體系結構將對應的選項進行組合處理。在本書後面涉及到具體實例會有針對性的講解。