如何使用gcc編譯器?

目錄:

• GCC rules

• 開始...

• 預編譯

• 編譯

• 彙編

• 鏈接

• 另外兩個重要選項

• 調試

• 小結

•  站點連接

 

摘要:

要想讀懂本文，你須要對C語言有基本的瞭解，本文將介紹如何使用gcc編譯器。 首先，咱們介紹如何在命令行方式下使用編譯器編譯簡單的C源代碼。 而後，咱們簡要介紹一下編譯器究竟做了那些工做，以及如何控制編譯過程。 咱們也簡要介紹了調試器的使用方法。

 

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？可能會加入各類後門和木馬。Ken Thompson是一個著名 的黑客，他編寫了一個編譯器，當編譯器編譯本身時，就在'login'程序中留下後門 和永久的木馬。請到 這裏 閱讀他對 這個傑做的描述。幸運的是，咱們有了gcc。當你進行 configure; make; make install 時， gcc在幕後作了不少繁重的工做。如何才能讓gcc爲咱們工做呢？咱們將開始編寫一個紙牌遊戲， 不過咱們只是爲了演示編譯器的功能，因此儘量地精簡了代碼。 咱們將從頭開始一步一步地作，以便理解編譯過程，瞭解爲了製做可執行文件須要 作些什麼，按什麼順序作。咱們將看看如何編譯C程序，以及如何使用編譯選項 讓gcc按照咱們的要求工做。步驟（以及所用工具）以下： 預編譯 (gcc -E)， 編譯 (gcc)， 彙編 (as)，和 鏈接 (ld)。

 

開始...

首先，咱們應該知道如何調用編譯器。實際上，這很簡單。咱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）。

#include <stdio.h>

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

把這個文件保存爲 game.c。 你能夠在命令行下編譯它：

gcc game.c

在默認狀況下，C編譯器將生成一個名爲 a.out 的可執行文件。 你能夠鍵入以下命令運行它：

a.outHello World

每一次編譯程序時，新的 a.out 將覆蓋原來的程序。你沒法知道是哪一個 程序建立了 a.out。咱們能夠經過使用 -o 編譯選項，告訴 gcc咱們想把可執行文件叫什麼名字。咱們將把這個程序叫作 game，咱們 可使用任何名字，由於C沒有Java那樣的命名限制。

gcc -o game game.c

gameHello World

到如今爲止，咱們離一個有用的程序還差得很遠。若是你以爲沮喪，你能夠想想咱們 已經編譯並運行了一個程序。由於咱們將一點一點爲這個程序添加功能，因此咱們必須 保證讓它可以運行。彷佛每一個剛開始學編程的程序員都想一會兒編一個1000行的程序， 而後一次修改全部的錯誤。沒有人，我是說沒有人，能作到這個。你應該先編一個能夠 運行的小程序，修改它，而後再次讓它運行。這能夠限制你一次修改的錯誤數量。另外， 你知道剛纔作了哪些修改使程序沒法運行，所以你知道應該把注意力放在哪裏。這能夠 防止這樣的狀況出現：你認爲你編寫的東西應該可以工做，它也能經過編譯，但它就是 不能運行。請切記，可以經過編譯的程序並不意味着它是正確的。

下一步爲咱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。 這能夠保證數據結構定義的一致性，以便程序的每一部分都能以一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， 因此咱們必須修改 game.c。在game.c的第2行，寫上 #include "deck.h"。 在第5行寫上 deck_t deck;。爲了保證咱們沒有搞錯，把它從新編譯一次。

gcc -o game game.c

若是沒有錯誤，就沒有問題。若是編譯不能經過，那麼就修改它直到能經過爲止。

 

預編譯

編譯器是怎麼知道 deck_t 類型是什麼的呢？由於在預編譯期間， 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。 你能夠經過在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，可是若是 你查看這個文件的話，咱們的聲明也在那裏。若是你不用 -o 選項指定 輸出文件名的話，它就輸出到控制檯。預編譯過程經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。

這就使你可以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，若是它的值發生了變化，全部使用符號常量的地方 都能自動更新。在實踐中，你幾乎不須要單獨使用 -E 選項，而是讓它 把輸出傳送給編譯器。  

編譯

做爲一箇中間步驟，gcc把你的代碼翻譯成彙編語言。它必定要這樣作，它必須經過分析 你的代碼搞清楚你究竟想要作什麼。若是你犯了語法錯誤，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。可是，實際上還有許多工做要gcc去作呢。

 

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。 若是咱們運行

gcc -c game.c

咱們就自動建立了一個名爲game.o的文件。這裏咱們碰到了一個重要的問題。咱們能夠用 任意一個 .c 文件建立一個目標文件。正如咱們在下面所看到的，在鏈接步驟中咱們能夠 把這些目標文件組合成可執行文件。讓咱們繼續介紹咱們的例子。由於咱們正在編寫一個 紙牌遊戲，咱們已經把一付牌定義爲 deck_t，咱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。這個具備DECKSIZE個元素的數組能夠防止咱們重複使用 一張牌。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#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;
}

把這個文件保存爲 shuffle.c。咱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。這並無爲咱們的程序添加功能，可是如今到了 關鍵時刻，咱們看看究竟發生了什麼。由於咱們的遊戲還在初級階段，咱們沒有別的 辦法肯定咱們的函數是否實現了咱們要求的功能。使用那條printf語句，咱們就能準確 地知道如今究竟發生了什麼，以便在開始下一階段以前咱們知道牌已經洗好了。在咱們 對它的工做感到滿意以後，咱們能夠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。之後咱們再介紹更復雜的調試器。

請注意兩個問題。

1. 咱們用傳址方式傳遞參數，你能夠從'&'（取地址）操做符看出來。這把變量的機器地址 傳遞給了函數，所以函數本身就能改變變量的值。也可使用全局變量編寫程序，可是應該 儘可能少使用全局變量。指針是C的一個重要組成部分，你應該充分地理解它。

2. 咱們在一個新的 .c 文件中使用函數調用。操做系統老是尋找名爲'main'的函數，並從 那裏開始執行。 shuffle.c 中沒有'main'函數，所以不能編譯爲獨立的可執行文件。 咱們必須把它與另外一個具備'main'函數並調用'shuffle'的程序組合起來。

運行命令

gcc -c shuffle.c

並肯定它建立了一個名爲 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 聲明以後，加上下面這一行：

shuffle(&deck);

如今，若是咱們還象之前同樣建立可執行文件，咱們就會獲得一個錯誤

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，由於咱們的語法是正確的。可是鏈接步驟卻失敗了，由於 咱們沒有告訴編譯器'shuffle'函數在哪裏。 那麼，到底什麼是鏈接？咱們怎樣告訴編譯器到哪裏尋找這個函數呢？  

鏈接

鏈接器ld，使用下面的命令，接受前面由 as建立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建立可執行文件 game。

鏈接器從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，若是咱們想再次使用那個函數，咱們所要作的就是包含"deck.h" 文件並把 shuffle.o 目標文件鏈接到新的可執行文件中。

象這樣的代碼重用是常常發生的。雖然咱們並無編寫前面做爲調試語句調用的 printf函數，鏈接器卻能從咱們用 #include <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）中的目標代碼鏈接進來。 這種方式使咱們可使用已能正確工做的其餘人的函數，只關心咱們所要解決的問題。 這就是爲何頭文件中通常只含有數據和函數聲明，而沒有函數體。通常，你能夠爲 鏈接器建立目標文件或函數庫，以便鏈接進可執行文件。咱們的代碼可能產生問題，由於 在頭文件中咱們沒有放入任何函數聲明。爲了確保一切順利，咱們還能作什麼呢？

 

另外兩個重要選項

-Wall 選項能夠打開全部類型的語法警告，以便幫助咱們肯定代碼是正確的， 而且儘量實現可移植性。當咱們使用這個選項編譯咱們的代碼時，咱們將看到下述警告：

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

這讓咱們知道還有一些工做要作。咱們須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，讓它能夠作必要的檢查。聽起來象是一種狡辯，但這樣作 能夠把函數的定義與實現分離開來，使咱們能在任何地方使用咱們的函數，只要包含新的頭文件 並把它鏈接到咱們的目標文件中就能夠了。下面咱們就把這一行加入deck.h中。

void shuffle(deck_t *pdeck);

這就能夠消除那個警告信息了。

另外一個經常使用編譯器選項是優化選項 -O# (即 -O2)。 這是告訴編譯器你須要什麼級別的優化。編譯器具備一整套技巧可使你的代碼運行得更快一點。 對於象咱們這種小程序，你可能注意不到差異，但對於大型程序來講，它能夠大幅度提升運行速度。 你會常常碰到它，因此你應該知道它的意思。

 

調試

咱們都知道，代碼經過了編譯並不意味着它按咱們得要求工做了。你可使用下面的命令驗證 是否全部的號碼都被使用了

game | sort - n | less

而且檢查有沒有遺漏。若是有問題咱們該怎麼辦？咱們如何才能深刻底層查找錯誤呢？ 你可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。若是那些衆多的命令行選項 讓你感到無所適從，那麼你可使用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，它們都很類似。要開始調試，你能夠選擇 File->Executable 而後找到你的 game 程序。 當你按下F5鍵或選擇 Execution->從菜單運行時，你能夠在另外一個窗口中看到輸出。 怎麼回事？在那個窗口中咱們什麼也看不到。不要擔憂，KDbg沒有出問題。問題在於咱們 在可執行文件中沒有加入任何調試信息，因此KDbg不能告訴咱們內部發生了什麼。編譯器選項 -g 能夠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），因此命令行成了：

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能指出運行狀況。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」。如今你能夠 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。如今當你按下F5鍵時，程序就會在那一行中止執行。按F8能夠跳入shuffle函數。 呵，咱們如今能夠看到 shuffle.c 中的代碼了！咱們能夠控制程序一步一步地執行， 並看到究竟發生了什麼事。若是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，是否是？  

小結

本文大致介紹了編譯和調試C程序的方法。咱們討論了編譯器走過的步驟，以及爲了讓 編譯器作這些工做應該給gcc傳遞哪些選項。咱們簡述了有關鏈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做還須要付出許多努力，但我但願本文 能讓你正確地起步。你能夠在 gcc、 as 和 ld的 man 和 info page中 找到更多的信息。

本身編寫代碼可讓你學到更多的東西。做爲練習你能夠以本文的紙牌遊戲爲基礎，編寫 一個21點遊戲。那時你能夠學學如何使用調試器。使用GUI的KDbg開始能夠更容易一些。 若是你每次只加入一點點功能，那麼很快就能完成。切記，必定要保持程序一直能運行！

要想編寫一個完整的遊戲，你須要下面這些內容：

• 一個紙牌玩家的定義（即，你能夠把deck_t定義爲player_t）。

• 一個給指定玩家發必定數量牌的函數。記住在紙牌中要增長「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外一張牌。

• 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）。

• 一個能肯定玩家手中的value的函數。Ace的value爲零而且能夠等於1或11。King的value爲12而且能夠等於10。