Chinaunix首页 | 论坛 | 博客
  • 博客访问: 591153
  • 博文数量: 135
  • 博客积分: 0
  • 博客等级: 民兵
  • 技术积分: 1654
  • 用 户 组: 普通用户
  • 注册时间: 2013-07-09 16:16
个人简介

围城

文章分类

全部博文(135)

文章存档

2019年(3)

2018年(7)

2017年(14)

2016年(15)

2015年(34)

2014年(9)

2013年(53)

我的朋友

分类: C/C++

2013-07-19 17:05:28

 

GCC rules

你能想象使用封闭源代码的私有编译器编译自由软件吗?你怎么知道编译器在你的可执行文件中加入了什么?可能会加入各种后门和木马。Ken Thompson是一个著名的黑客,他编写了一个编译器,当编译器编译自己时,就在'login'程序中留下后门和永久的木马。请到 这里 阅读他对这个杰作的描述。幸运的是,我们有了gcc。当你进行 configure; make; make install 时, gcc在幕后做了很多繁重的工作。如何才能让gcc为我们工作呢?我们将开始编写一个纸牌游戏,不过我们只是为了演示编译器的功能,所以尽可能地精简了代码。我们将从头开始一步一步地做,以便理解编译过程,了解为了制作可执行文件需要做些什么,按什么顺序做。我们将看看如何编译C程序,以及如何使用编译选项让gcc按照我们的要求工作。步骤(以及所用工具)如下: 预编译 (gcc -E), 编译 (gcc), 汇编 (as),和 连接 (ld)。

 

开始...

首先,我们应该知道如何调用编译器。实际上,这很简单。我们将从那个著名的第一个C程序开始。

#include 

int main()


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


把这个文件保存为 game.c。 你可以在命令行下编译它:

gcc game.c
在默认情况下,C编译器将生成一个名为 a.out 的可执行文件。你可以键入如下命令运行它:
a.out Hello World 
每一次编译程序时,新的 a.out 将覆盖原来的程序。你无法知道是哪个程序创建了 a.out。我们可以通过使用 -o 编译选项,告诉 gcc我们想把可执行文件叫什么名字。我们将把这个程序叫做 game,我们可以使用任何名字,因为C没有Java那样的命名限制。
gcc -o game game.c

game Hello World 

下一步为我们的游戏编写一个头文件。头文件把数据类型和函数声明集中到了一处。这可以保证数据结构定义的一致性,以便程序的每一部分都能以同样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 */

把这个文件保存为 deck.h。只能编译 .c 文件,所以我们必须修改 game.c。在game.c的第2行,写上 #include "deck.h"。在第5行写上 deck_t deck;。为了保证我们没有搞错,把它重新编译一次。

gcc -o game game.c


预编译

编译器是怎么知道 deck_t 类型是什么的呢?因为在预编译期间,它实际上把"deck.h"文件复制到了"game.c"文件中。源代码中的预编译指示以"#"为前缀。你可以通过在gcc后加上 -E 选项来调用预编译器。

gcc -E -o game_precompile.txt game.c
wc -l game_precompile.txt
  3199 game_precompile.txt
几乎有3200行的输出!其中大多数来自 stdio.h 包含文件,但是如果你查看这个文件的话,我们的声明也在那里。如果你不用 -o 选项指定输出文件名的话,它就输出到控制台。预编译过程通过完成三个主要任务给了代码很大的灵活性。
  1. 把"include"的文件拷贝到要编译的源文件中。
  2. 用实际值替代"define"的文本。
  3. 在调用宏的地方进行宏替换。
这就使你能够在整个源文件中使用符号常量(即用DECKSIZE表示一付牌中的纸牌数量),而符号常量是在一个地方定义的,如果它的值发生了变化,所有使用符号常量的地方都能自动更新。在实践中,你几乎不需要单独使用 -E 选项,而是让它把输出传送给编译器。


 

编译

作为一个中间步骤,gcc把你的代码翻译成汇编语言。它一定要这样做,它必须通过分析你的代码搞清楚你究竟想要做什么。如果你犯了语法错误,它就会告诉你,这样编译就失败了。人们有时会把这一步误解为整个过程。但是,实际上还有许多工作要gcc去做呢。

 

汇编

as 把汇编语言代码转换为目标代码。事实上目标代码并不能在CPU上运行,但它离完成已经很近了。编译器选项 -c 把 .c 文件转换为以 .o 为扩展名的目标文件。 如果我们运行

gcc -c game.c
我们就自动创建了一个名为game.o的文件。这里我们碰到了一个重要的问题。我们可以用任意一个 .c 文件创建一个目标文件。正如我们在下面所看到的,在连接步骤中我们可以把这些目标文件组合成可执行文件。让我们继续介绍我们的例子。因为我们正在编写一个纸牌游戏,我们已经把一付牌定义为 deck_t,我们将编写一个洗牌函数。这个函数接受一个指向deck类型的指针,并把一付随机的牌装入deck类型。它使用'drawn' 数组跟踪记录那些牌已经用过了。这个具有DECKSIZE个元素的数组可以防止我们重复使用一张牌。


#include 
#include 
#include 
#include "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;
}

把这个文件保存为 shuffle.c。我们在这个代码中加入了一条调试语句,以便运行时,能输出所产生的牌号。这并没有为我们的程序添加功能,但是现在到了关键时刻,我们看看究竟发生了什么。因为我们的游戏还在初级阶段,我们没有别的办法确定我们的函数是否实现了我们要求的功能。使用那条printf语句,我们就能准确地知道现在究竟发生了什么,以便在开始下一阶段之前我们知道牌已经洗好了。在我们对它的工作感到满意之后,我们可以把那一行语句从代码中删掉。这种调试程序的技术看起来很粗糙,但它使用最少的语句完成了调试任务。以后我们再介绍更复杂的调试器。

请注意两个问题。
  1. 我们用传址方式传递参数,你可以从'&'(取地址)操作符看出来。这把变量的机器地址传递给了函数,因此函数自己就能改变变量的值。也可以使用全局变量编写程序,但是应该尽量少使用全局变量。指针是C的一个重要组成部分,你应该充分地理解它。
  2. 我们在一个新的 .c 文件中使用函数调用。操作系统总是寻找名为'main'的函数,并从那里开始执行。 shuffle.c 中没有'main'函数,因此不能编译为独立的可执行文件。我们必须把它与另一个具有'main'函数并调用'shuffle'的程序组合起来。

运行命令

gcc -c shuffle.c
并确定它创建了一个名为 shuffle.o 的新文件。编辑game.c文件,在第7行,在 deck_t类型的变量 deck 声明之后,加上下面这一行:
shuffle(&deck);
现在,如果我们还象以前一样创建可执行文件,我们就会得到一个错误
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
编译成功了,因为我们的语法是正确的。但是连接步骤却失败了,因为我们没有告诉编译器'shuffle'函数在哪里。那么,到底什么是连接?我们怎样告诉编译器到哪里寻找这个函数呢?


 

连接

连接器ld,使用下面的命令,接受前面由 as 创建的目标文件并把它转换为可执行文件

gcc -o game game.o shuffle.o
这将把两个目标文件组合起来并创建可执行文件 game。


连接器从shuffle.o目标文件中找到 shuffle 函数,并把它包括进可执行文件。目标文件的真正好处在于,如果我们想再次使用那个函数,我们所要做的就是包含"deck.h" 文件并把 shuffle.o 目标文件连接到新的可执行文件中。

象这样的代码重用是经常发生的。虽然我们并没有编写前面作为调试语句调用的 printf 函数,连接器却能从我们用 #include 语句包含的文件中找到它的声明,并把存储在C库(/lib/libc.so.6)中的目标代码连接进来。这种方式使我们可以使用已能正确工作的其他人的函数,只关心我们所要解决的问题。这就是为什么头文件中一般只含有数据和函数声明,而没有函数体。一般,你可以为连接器创建目标文件或函数库,以便连接进可执行文件。我们的代码可能产生问题,因为在头文件中我们没有放入任何函数声明。为了确保一切顺利,我们还能做什么呢?

 

另外两个重要选项

-Wall 选项可以打开所有类型的语法警告,以便帮助我们确定代码是正确的,并且尽可能实现可移植性。当我们使用这个选项编译我们的代码时,我们将看到下述警告:

game.c:9: warning: implicit declaration of function `shuffle'
这让我们知道还有一些工作要做。我们需要在头文件中加入一行代码,以便告诉编译器有关 shuffle 函数的一切,让它可以做必要的检查。听起来象是一种狡辩,但这样做 可以把函数的定义与实现分离开来,使我们能在任何地方使用我们的函数,只要包含新的头文件 并把它连接到我们的目标文件中就可以了。下面我们就把这一行加入deck.h中。
void shuffle(deck_t *pdeck);
这就可以消除那个警告信息了。


另一个常用编译器选项是优化选项 -O# (即 -O2)。 这是告诉编译器你需要什么级别的优化。编译器具有一整套技巧可以使你的代码运行得更快一点。对于象我们这种小程序,你可能注意不到差别,但对于大型程序来说,它可以大幅度提高运行速度。你会经常碰到它,所以你应该知道它的意思。

 

调试

我们都知道,代码通过了编译并不意味着它按我们得要求工作了。你可以使用下面的命令验证是否所有的号码都被使用了

game | sort - n | less
并且检查有没有遗漏。如果有问题我们该怎么办?我们如何才能深入底层查找错误呢?


你可以使用调试器检查你的代码。大多数发行版都提供著名的调试器:gdb。如果那些众多的命令行选项让你感到无所适从,那么你可以使用KDE提供的一个很好的前端工具 KDbg。还有一些其它的前端工具,它们都很相似。要开始调试,你可以选择 File->Executable 然后找到你的 game 程序。当你按下F5键或选择 Execution->从菜单运行时,你可以在另一个窗口中看到输出。怎么回事?在那个窗口中我们什么也看不到。不要担心,KDbg没有出问题。问题在于我们在可执行文件中没有加入任何调试信息,所以KDbg不能告诉我们内部发生了什么。编译器选项 -g 可以把必要的调试信息加入目标文件。你必须用这个选项编译目标文件(扩展名为.o),所以命令行成了:
gcc -g -c shuffle.c game.c
gcc -g -o game game.o shuffle.o
这就把钩子放入了可执行文件,使gdb和KDbg能指出运行情况。
阅读(990) | 评论(0) | 转发(1) |
给主人留下些什么吧!~~