GCC笔记

The History of GCC

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1984年，Richard Stallman发起了自由软件运动，GNU (Gnu's Not Unix)项目应运而生，3年后，最初版的GCC横空出世，成为第一款可移植、可优化、支持ANSI C的开源C编译器。
GCC最初的全名是GNU C Compiler,之后，随着GCC支持的语言越来越多，它的名称变成了GNU Compiler Collection。
这里介绍的gcc是GCC的前端，C编译器.

警告信息

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    -Wall : 显示所有常用的编译警告信息。
    -W    : 显示更多的常用编译警告，如：变量未使用、一些逻辑错误。
    -Wconversion : 警告隐式类型转换。
    -Wshadow : 警告影子变量（在代码块中再次声明已声明的变量)
    -Wcast-qual ：警告指针修改了变量的修饰符。如：指针修改const变量。
    -Wwrite-strings : 警告修改const字符串。
    -Wtraditional : 警告ANSI编译器与传统C编译器有不同的解释。
    -Werror : 即使只有警告信息，也不编译。（gcc默认：若只有警告信息，则进行编译，若有错误信息，则不编译）

C语言标准

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你可以在gcc的命令行中通过指定选项来选择相应的C语言标准: 从传统c到最新的GNU扩展C. 默认情况下, gcc使用最新的GNU C扩展.

    -ansi : 关闭GNU扩展中与ANSI C相抵触的部分。
    -pedantic          : 关闭所有的GNU扩展。
    -std=c89           : 遵循C89标准
    -std=c99           : 遵循C99标准
    -std=traditional : 使用原始C
注意：后4个选项可以与-ansi结合使用，也可以单独使用。

可在gcc中使用大量GNU C扩展.

生成特定格式的文件

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以hello.c为例子，可以设置选项生成hello.i, hello.s, hello.o以及最终的hello文件：

    hello.c : 最初的源代码文件；
    hello.i : 经过编译预处理的源代码；
    hello.s : 汇编处理后的汇编代码；
    hello.o : 编译后的目标文件，即含有最终编译出的机器码，但它里面所引用的其他文件中函数的内存位置尚未定义。
    hello / a.out : 最终的可执行文件
    (还有.a(静态库文件), .so(动态库文件), .s(汇编源文件)留待以后讨论)

如果你不通过-o指定生成可执行文件名，那么会默认生成a.out. 不指定生成文件名肯能覆盖你上次生成的a.out.

e.g.
$ gcc hello.c
在不给gcc传递任何参数的情况下, gcc执行默认的操作: 将源文件编译为目标文件--> 将目标文件连接为可执行文件(名为a.out) --> 删除目标文件.

-c生成.o文件时，默认生成与源代码的主干同名的.o文件。比如对应hello.c生成hello.o. 但也可在生成目标文件时指定目标文件名(注意同时要给出.o后缀): $ gcc -c -o demo.o demo.c

    $ gcc -Wall -c hello.c              : 生成hello.o
    $ gcc -Wall -c -save-temps hello.c  : 生成hello.i, hello.s, hello.o
    注意-Wall 选项的使用场合：仅在涉及到编译（即会生成.o文件时，用-Wall）  

多文件编译、连接

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如果原文件分布于多个文件中：file1.c, file2,c
    $ gcc -Wall file1.c file2.c -o name

若对其中一个文件作了修改，则可只重新编译该文件,再连接所有文件：
    $ gcc -Wall -c file2.c
    $ gcc file1.c file2.o -c name

注意：若编译器在命令行中从左向右顺序读取.o文件，则它们的出现顺序有限制：含有某函数定义的文件必须出现在含有调用该函数的文件之后。好在GCC无此限制。

编译预处理

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以上述的hello.c为例, 要对它进行编译预备处理, 有两种方法: 在gcc中指定-E选项, 或直接调用cpp.gcc的编译预处理命令程序为cpp，比较新版本的gcc已经将cpp集成了，但仍提供了cpp命令. 可以直接调用cpp命令, 也可以在gcc中指定-E选项指定它只进行编译预处理.

$ gcc -E hello.c                            ==  $ cpp hello.c
上述命令马上将预处理结果显示出来. 不利于观看. 可采用-c将预处理结果保存:
$ gcc -E -c hello.i hello.c              ==  $ cpp -o hello.i hello.c
注意, -c指定名称要给出".i"后缀.

另外, gcc针对编译预处理提供了一些选项:
(1) 除了直接在源代码中用 #define NAME来定义宏外，gcc可在命令行中定义宏：-DNAME(其中NAME为宏名),  也可对宏赋值: -DNAME=value 注意等号两边不能有空格! 由于宏扩展只是一个替换过程，也可以将value换成表达式，但要在两边加上双括号: -DNAME="statement"
e.g. $ gcc -Wall -DVALUE="2+2" tmp.c -o tmp
如果不显示地赋值，如上例子，只给出：-DVALUE,gcc将使用默认值：1.

(2) 除了用户定义的宏外, 有一些宏是编译器自动定义的，它们以__开头，运行: $ cpp -dM /dev/null, 可以看到这些宏. 注意, 其中含有不以__开头的非ANSI宏，它们可以通过-ansi选项被禁止。
 
查看宏扩展

1, 运行 $ gcc -E test.c ，gcc对test.c进行编译预处理，并立马显示结果. (不执行编译) 2, 运行 $ gcc -c -save-temps test.c ，不光产生test.o，还产生test.i, test.s，前者是编译预处理结果, 后者是汇编结果.
   
利用Emacs查看编译预处理结果

针对含有编译预处理命令的代码，可以利用emacs方便地查看预处理结果，而不需执行编译，更为方便的是，可以只选取一段代码，而非整个文件：
1，选择想要查看的代码
2，C-c C-e (M-x c-macro-expand)
这样，就自动在一个名为"Macroexpansion"的buffer中显示pre-processed结果.

生成汇编代码

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使用"-S"选项指定gcc生成以".s"为后缀的汇编代码:
$ gcc -S hello.c
$ gcc -S -o hello.s hello.c

生成汇编语言的格式取决于目标平台. 另外, 如果是多个.c文件, 那么针对每一个.c文件生成一个.s文件.

包含头文件

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在程序中包含与连接库对应的头文件是很重要的方面，要使用库，就一定要能正确地引用头文件。一般在代码中通过#include引入头文件, 如果头文件位于系统默认的包含路径(/usr/includes), 则只需在#include中给出头文件的名字, 不需指定完整路径.  但若要包含的头文件位于系统默认包含路径之外, 则有其它的工作要做: 可以(在源文件中)同时指定头文件的全路径. 但考虑到可移植性，最好通过-I在调用gcc的编译命令中指定。

下面看这个求立方的小程序(阴影语句表示刚开始不存在）:

#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
  double x = pow (2.0, 3.0);
  printf("The cube of 2.0 is %f\n", x);
  return 0;
}

使用gcc-2.95来编译它(-lm选项在后面的连接选项中有介绍, 这里只讨论头文件的包含问题):
$ gcc-2.95 -Wall pow.c -lm -o pow_2.95
pow.c: In function `main':
pow.c:5: warning: implicit declaration of function `pow'

程序编译成功，但gcc给出警告: pow函数隐式声明。
$ ./pow_2.95
The cube of 2.0 is 1.000000

明显执行结果是错误的，在源程序中引入头文件(#include )，消除了错误。

不要忽略Warning信息！它可能预示着，程序虽然编译成功，但运行结果可能有错。故，起码加上"-Wall"编译选项！并尽量修正Warning警告。

搜索路径

首先要理解 #include和#include"file.h"的区别:
#include只在默认的系统包含路径搜索头文件
#include"file.h"首先在当前目录搜索头文件, 若头文件不位于当前目录, 则到系统默认的包含路径搜索头文件.

UNIX类系统默认的系统路径为：

头文件，包含路径：　/usr/local/include/  or  /usr/include/
库文件，连接路径：　/usr/local/lib/          or  /usr/lib/   

对于标准c库(glibc或其它c库)的头文件, 我们可以直接在源文件中使用#include 来引入头文件.

如果要在源文件中引入自己的头文件, 就需要考虑下面的问题:

1, 如果使用非系统头文件, 头文件和源文件位于同一个目录, 如何引用头文件呢?
——我们可以简单地在源文件中使用 #include "file.h", gcc将当前目录的file.h引入到源文件. 如果你很固执, 仍想使用#include 语句, 可以在调用gcc时添加"-I."来将当前目录添加到系统包含路径. 细心的朋友可能会想到: 这样对引用其它头文件会不会有影响? 比如, #include之后紧接着一个#include, 它能正确引入math.h吗? 答案是: 没有影响. 仍然能正确引用math.h. 我的理解是: "-I."将当前目录作为包含路径的第一选择, 若在当前目录找不到头文件, 则在默认路径搜索头文件. 这实际上和#include"file.h"是一个意思.

2, 对于比较大型的工程, 会有许多用户自定义的头文件, 并且头文件和.c文件会位于不同的目录. 又该如何在.c文件中引用头文件呢?
—— 可以直接在.c文件中利用#include“/path/file.h", 通过指定头文件的路径(可以是绝对路径, 也可以是相对路径)来包含头文件. 但这明显降低了程序的可移植性. 在别的系统环境下编译可能会出现问题. 所以还是利用"-I"选项指定头文件完整的包含路径.

针对头文件比较多的情况, 最好把它们统一放在一个目录中, 比如~/project/include. 这样就不需为不同的头文件指定不同的路径. 如果你嫌每次输入这么多选项太麻烦, 你可以通过设置环境变量来添加路径:
$ C_INCLUDE_PATH=/opt/gdbm-1.8.3/include
$ export C_INCLUDE_PATH
$ LIBRART_PATH=/opt/gdbm-1.8.3/lib
$ export LIBRART_PATH

可一次指定多个搜索路径，":"用于分隔它们，"."表示当前路径，如：
$ C_INCLUDE_PATH=.:/opt/gdbm-1.8.3/include:/net/include
$ LIBRARY_PATH=.:/opt/gdbm-1.8.3/lib:/net/lib
（可以添加多个路径，路径之间用:相隔，.代表当前目录，若.在最前头，也可省略）

当然，若想永久地添加这些路径，可以在.bash_profile中添加上述语句.

3, 还有一个比较猥琐的办法: 系统默认的包含路径不是/usr/include或/usr/local/include么? 我把自己的头文件拷贝到其中的一个目录, 不就可以了么? 的确可以这样, 如果你只想在你自己的机器上编译运行这个程序的话.

前面介绍了三种添加搜索路径的方法，如果这三种方法一起使用，优先级如何呢？
命令行设置　> 环境变量设置　> 系统默认

与外部库连接

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前面介绍了如何包含头文件. 而头文件和库是息息相关的, 使用库时, 要在源代码中包含适当的头文件，这样才能声明库中函数的原型(发布库时, 就需要给出相应的头文件).

和包含路径一样, 系统也有默认的连接路径:
头文件，包含路径：　/usr/local/include/  or  /usr/include/
库文件，连接路径：　/usr/local/lib/          or  /usr/lib/  

同样地, 我们想要使用某个库里的函数, 必须将这个库连接到使用那些函数的程序中.

有一个例外: libc.a或libc.so (C标准库,它包含了ANSI C所定义的C函数)是不需要你显式连接的, 所有的C程序在运行时都会自动加载c标准库.

除了C标准库之外的库称之为"外部库", 它可能是别人提供给你的, 也可能是你自己创建的(后面有介绍如何创建库的内容).

外部库有两种：(1)静态连接库lib.a
                     (2)共享连接库lib.so

两者的共同点：
    .a, .so都是.o目标文件的集合，这些目标文件中含有一些函数的定义（机器码），而这些函数将在连接时会被最终的可执行文件用到。

两者的区别：
    静态库.a  : 当程序与静态库连接时，库中目标文件所含的所有将被程序使用的函数的机器码被copy到最终的可执行文件中. 静态库有个缺点: 占用磁盘和内存空间. 静态库会被添加到和它连接的每个程序中, 而且这些程序运行时, 都会被加载到内存中. 无形中又多消耗了更多的内存空间.

    共享库.so : 与共享库连接的可执行文件只包含它需要的函数的引用表，而不是所有的函数代码，只有在程序执行时, 那些需要的函数代码才被拷贝到内存中, 这样就使可执行文件比较小, 节省磁盘空间(更进一步，操作系统使用虚拟内存，使得一份共享库驻留在内存中被多个程序使用).共享库还有个优点: 若库本身被更新, 不需要重新编译与 它连接的源程序。

静态库

下面我们来看一个简单的例子，计算2.0的平方根（假设文件名为sqrt.c）：

#include
#include
int
main (void)
{
double x = sqrt (2.0);
printf ("The square root of 2.0 is %f\n", x);
return 0;
}

用gcc将它编译为可执行文件：
$ gcc -Wall sqrt.c -o sqrt
编译成功，没有任何警告或错误信息。执行结果也正确。
$ ./sqrt
The square root of 2.0 is 1.414214
    
下面我们来看看刚才使用的gcc版本：
$ gcc --version
  gcc (GCC) 4.0.2 20050808 (prerelease) (Ubuntu 4.0.1-4ubuntu9)

现在我用2.95版的gcc把sqrt.c再编译一次：
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c -o sqrt_2.95
  /tmp/ccVBJd2H.o: In function `main':
  sqrt.c:(.text+0x16): undefined reference to `sqrt'
     collect2: ld returned 1 exit status
    
编 译器会给出上述错误信息，这是因为sqrt函数不能与外部数学库"libm.a"相连。sqrt函数没有在程序中定义，也不存在于默认C库 "libc.a"中，如果用gcc-2.95，应该显式地选择连接库。上述出错信息中的"/tmp/ccVBJd2H.o"是gcc创造的临时目标文件， 用作连接时用。

使用下列的命令可以成功编译：
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c /usr/lib/libm.a -o sqrt_2.95
它告知gcc:在编译sqrt.c时，加入位于/usr/lib中的libm.a库（C数学库）。

C库文件默认位于/usr/lib, /usr/local/lib系统目录中； gcc默认地从/usr/local/lib, /usr/lib中搜索库文件。（在我的Ubuntu系统中，C库文件位于/urs/lib中。

这里还要注意连接顺序的问题，比如上述命令，如果我改成：
$ gcc-2.95 -Wall /usr/lib/libm.a sqrt.c -o sqrt_2.95
gcc会给出出错信息：
 /tmp/cc6b3bIa.o: In function `main':
 sqrt.c:(.text+0x16): undefined reference to `sqrt'
 collect2: ld returned 1 exit status

正如读取目标文件的顺序，gcc也在命令行中从左向右读取库文件——任何包含某函数定义的库文件必须位于调用该函数的目标文件之后！

指定库文件的绝对路径比较繁琐，有一种简化方法，相对于上述命令，可以用下面的命令来替代：
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c -lm -o sqrt_2.95
其中的"-l"表示与库文件连接，"m"代表"libm.a"中的m。一般而言，"-lNAME"选项会使gcc将目标文件与名为"libNAME.a"的库文件相连。（这里假设使用默认目录中的库，对于其他目录中的库文件，参考后面的“搜索路径”。）

上面所提到的"libm.a"就是静态库文件，所有静态库文件的扩展名都是.a！
$ whereis libm.a
  libm: /usr/lib/libm.a /usr/lib/libm.so

正如前面所说，默认的库文件位于/usr/lib/或/usr/local/lib/目录中。其中，libm.a是静态库文件，libm.so是后面会介绍的动态共享库文件。

如果调用的函数都包含在libc.a中（C标准库被包含在/usr/lib/libc.a中，它包含了ANSI C所定义的C函数）。那么没有必要显式指定libc.a：所有的C程序运行时都自动包含了C标准库！（试试 $ gcc-2.95 -Wall hello.c -o hello)。

共享库

正因为共享库的优点，如果系统中存在.so库，gcc默认使用共享库（在/usr/lib/目录中，库文件以共享和静态两种版本存在）。 

运行：$ gcc -Wall -L. hello.c -lNAME -o hello
gcc先检查是否有替代的libNAME.so库可用。   

正如前面所说，共享库以.so为扩展名（so == shared object)。

那么，如果不想用共享库，而只用静态库呢？可以加上 -static选项
$ gcc -Wall -static hello.c -lNAME -o hello
它等价于：
$ gcc -Wall hello.c libNAME.a -o hello

$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c -static -lm -o sqrt_2.95_static
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c -lm -o sqrt_2.95_default
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c /usr/lib/libm.a -o sqrt_2.95_a
$ gcc-2.95 -Wall sqrt.c /usr/lib/libm.so -o sqrt_2.95_so

$ ls -l sqrt*
-rwxr-xr-x  1 zp zp  21076 2006-04-25 14:52 sqrt_2.95_a
-rwxr-xr-x  1 zp zp   7604 2006-04-25 14:52 sqrt_2.95_default
-rwxr-xr-x  1 zp zp   7604 2006-04-25 14:52 sqrt_2.95_so
-rwxr-xr-x  1 zp zp 487393 2006-04-25 14:52 sqrt_2.95_static

上述用四种方式编译sqrt.c，并比较了可执行文件的大小。奇怪的是，-static -lm 和 /lib/libm.a为什么有区别？有知其原因着，恳请指明，在此谢谢了！ :)

如果libNAME.a在当前目录，应执行下面的命令：
$ gcc -Wall -L. hello.c -lNAME -o hello
-L.表示将当前目录加到连接路径。

利用GNU archiver创建库

$ ar cr libhello.a hello_fn.o by_fn.o
从hello_fn.o和by_fn.o创建libihello.a，其中cr表示：creat & replace
$ ar t libhello.a
列出libhello.a中的内容，t == table
（也可创建libhello.so）

关于创建库的详细介绍，可参考本blog的GNU binutils笔记

调试

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一般地，可执行文件中是不包含任何对源代码的参考的，而debugger要工作，就要知道目标文件／可执行文件中的机器码对应的源代码的信息（如：哪条语 句、函数名、变量名...). debugger工作原理：将函数名、变量名，对它们的引用，将所有这些对象对应的代码行号储存到目标文件或可执行文件的符 号表中。

GCC提供-g选项，将调试信息加入到目标文件或可执行文件中。
$ gcc -Wall -g hello.c -o hello

注意：若发生了段错误，但没有core dump，是由于系统禁止core文件的生成！
$ ulimit -c　　，若显示为0，则系统禁止了core dump

解决方法:
$ ulimit -c unlimited　　（只对当前shell进程有效）
或在~/.bashrc　的最后加入： ulimit -c unlimited （一劳永逸）

优化

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GCC具有优化代码的功能，代码的优化是一项比较复杂的工作，它可归为：源代码级优化、速度与空间的权衡、执行代码的调度。

GCC提供了下列优化选项：
    -O0  : 默认不优化（若要生成调试信息，最好不优化）
    -O1  : 简单优化，不进行速度与空间的权衡优化；   
    -O2  : 进一步的优化，包括了调度。（若要优化，该选项最适合，它是GNU发布软件的默认优化级别；
    -O3  : 鸡肋，兴许使程序速度更慢；
    -funroll-loops  : 展开循环，会使可执行文件增大，而速度是否增加取决于特定环境；
    -Os  : 生成最小执行文件；

一般来说，调试时不优化，一般的优化选项用-O2（gcc允许-g与-O2联用，这也是GNU软件包发布的默认选项），embedded可以考虑-Os。

注意：此处为O！（非0或小写的o,-o是指定可执行文件名）。

检验优化结果的方法：$ time ./prog

time测量指定程序的执行时间，结果由三部分组成：
    real : 进程总的执行时间, 它和系统负载有关(包括了进程调度,切换的时间)
    user: 被测量进程中用户指令的执行时间
    sys  : 被测量进程中内核代用户指令执行的时间

user和sys的和被称为CPU时间.

注意：对代码的优化可能会引发警告信息，移出警告的办法不是关闭优化，而是调整代码。