??博客主頁：小王又困了

??系列專欄：Linux

??人之為學(xué)，不日近則日退?

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目錄

一、快速認(rèn)識gcc/g++

?二、預(yù)處理

??1.1頭文件展開?

??1.2條件編譯

二、編譯

三、匯編

四、鏈接

??4.1庫的概念

??4.2庫的特點(diǎn)

??4.3庫的分類

??4.4動態(tài)鏈接

??4.5靜態(tài)鏈接

???前言：

? ? 在前面的文章中我們學(xué)會了vim的用法，可以寫一些代碼，要想讓我們的代碼運(yùn)行起來，還需要我們學(xué)會編譯工具gcc、g++的使用。C語言既可以使用gcc，也可以使用g++；C++只能使用g++，它們的使用形式是相同的，今天以gcc為主，介紹它們的使用方法，帶大家快速上手。

一、快速認(rèn)識gcc/g++

? ? ?當(dāng)我們寫完一段代碼，想要編譯時(shí)可以在命令行輸入：gcc code.c，會默認(rèn)形成a.out的可執(zhí)行程序。

在輸入./a.out，程序就可以執(zhí)行起來了。

? ? ?當(dāng)我們不想形成默認(rèn)的可執(zhí)行，想讓它形成指定名稱的可執(zhí)行，可以輸入：gcc code.c -o mycode 或 gcc -o mycode code.c。

編譯主要分為預(yù)處理、編譯、匯編、鏈接四個過程，我們將詳細(xì)講解這四個過程，帶大家學(xué)會gcc的使用。

?二、預(yù)處理

? ? ?此階段處理以 .c 或 .cpp 為擴(kuò)展名的源文件，并執(zhí)行預(yù)處理指令。預(yù)處理器的主要任務(wù)是頭文件展開、條件編譯、展開宏定義、移除注釋等。預(yù)處理指令都是以#開頭的代碼行。

• 指令：gcc -E code.c -o code.i
• -E：從現(xiàn)在開始進(jìn)行程序的翻譯過程，當(dāng)預(yù)處理做完的時(shí)候就停止
• -o：指目標(biāo)文件，將當(dāng)前編譯結(jié)果寫入到code.i文件中?
• ?.i?文件為經(jīng)過預(yù)處理的C語言程序（還是C語言）

??1.1頭文件展開?

? ? ?頭文件展開，就是在預(yù)處理的時(shí)候，將頭文件拷貝到引用它的源文件中。通過上圖我們可以看到，原本14行的代碼經(jīng)過預(yù)編譯變成了850行。多出的這么多代碼，就是把stdio.h文件中的內(nèi)容插入到當(dāng)前源文件中。/usr/include/目錄是Linux下gcc/g++頭文件的默認(rèn)搜索路徑，該路徑下有許多和開發(fā)相關(guān)的頭文件。

頭文件的展開過程涉及到#include預(yù)處理指令。當(dāng)預(yù)處理器遇到#include指令時(shí)，它會打開指定的頭文件并將其內(nèi)容插入到當(dāng)前源文件的位置。這個過程可以分為兩種類型的包含：

• 系統(tǒng)頭文件的包含：

使用尖括號<>包含系統(tǒng)頭文件，例如：

#include <stdio.h>

預(yù)處理器會在系統(tǒng)頭文件目錄中查找并打開stdio.h文件，并將其內(nèi)容插入到當(dāng)前源文件中。

• ?用戶頭文件的包含：

?使用雙引號?“ ”?包含用戶定義的頭文件，例如：

#include “test.h”

預(yù)處理器會在當(dāng)前源文件所在目錄以及指定的包含路徑中查找并打開test.h文件，并將其內(nèi)容插入到當(dāng)前源文件中。

??1.2條件編譯

? ? ?條件編譯就是處理?xiàng)l件編譯指令，如#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif等。根據(jù)條件判斷是否編譯特定代碼塊。例如：

#ifdef identifier
    // 代碼塊 A
#else
    // 代碼塊 B
#endif

如果已經(jīng)定義了標(biāo)識符identifier，則編譯?// 代碼塊 A?部分，否則編譯?// 代碼塊 B?部分。

? ? ?條件編譯最重要的意義就是對頭文件的保護(hù)，防止頭文件被重復(fù)包含。

#ifndef HEADER_FILE
#define HEADER_FILE

// 頭文件內(nèi)容

#endif

在展開頭文件時(shí)，預(yù)處理器會繼續(xù)遞歸地處理被包含的頭文件。這意味著如果一個頭文件包含了另一個頭文件，那么這個被包含的頭文件也會被展開，以此類推，直到所有的頭文件都被插入到源文件中。我們使用上面這段條件編譯的代碼就可以避免這種情況，如果沒有定義HEADER_FILE，就執(zhí)行下面的代碼；如果定義了，就不會執(zhí)行了。

??條件編譯的主要用途包括：?

• 平臺特定代碼： 通過條件編譯，可以根據(jù)不同的操作系統(tǒng)或硬件平臺編寫特定的代碼。

• 調(diào)試和發(fā)布版本： 可以使用條件編譯來在調(diào)試版本和發(fā)布版本之間切換代碼。

• 特定功能的開關(guān)： 通過條件編譯，可以選擇性地包含或排除某些功能，以滿足特定的編譯需求。

• 配置選項(xiàng)： 根據(jù)不同的配置選項(xiàng)選擇性地包含或排除代碼，以適應(yīng)不同的編譯環(huán)境。

二、編譯

? ? ?在這個階段，預(yù)處理后的源代碼（通常是.i文件）被翻譯成匯編語言。gcc 首先要檢查代碼的規(guī)范性、是否有語法錯誤等，以確定代碼的實(shí)際要做的工作，在檢查無誤后，gcc 把代碼翻譯成匯編語言。生成的匯編代碼描述了程序的控制流、數(shù)據(jù)等信息。

• 指令：gcc -S?code.i?-o code.s
• -S：從現(xiàn)在開始進(jìn)行程序的翻譯過程，當(dāng)編譯工作做完的時(shí)候就停止

三、匯編

? ? ?在這個階段，匯編器將匯編代碼（通常是.s文件）翻譯成機(jī)器碼或可重定位的機(jī)器碼。它將匯編代碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制目標(biāo)文件，其中包含特定于處理器體系結(jié)構(gòu)的指令。這個二進(jìn)制文件也被叫做可重定位目標(biāo)二進(jìn)制文件，簡稱目標(biāo)文件。但是它不能被執(zhí)行。

• ?指令：gcc -c?code.s?-o code.o
• -c：從現(xiàn)在開始進(jìn)行程序的翻譯過程，當(dāng)匯編工作做完的時(shí)候就停止

??目標(biāo)文件為什么不能執(zhí)行？

? ? ?目標(biāo)文件通常沒有定義程序的入口點(diǎn)，即程序的起始地址?？蓤?zhí)行文件需要一個明確定義的入口點(diǎn)，從這個點(diǎn)開始執(zhí)行程序。單獨(dú)的目標(biāo)文件可能包含了未解決的符號引用，無法獨(dú)立執(zhí)行。可執(zhí)行文件需要在操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而操作系統(tǒng)提供了運(yùn)行時(shí)支持，包括內(nèi)存管理、文件操作、進(jìn)程調(diào)度等。沒有這些支持，程序很難在操作系統(tǒng)上正確運(yùn)行。所以，我們還要通過鏈接來解決這些問題，讓目標(biāo)文件與其他目標(biāo)文件或庫文件進(jìn)行鏈接，形成最終的可執(zhí)行文件。

四、鏈接

? ? ?在這個階段，鏈接器將一個或多個目標(biāo)文件（通常是.o文件）與所需的庫文件結(jié)合，創(chuàng)建可執(zhí)行文件。鏈接的主要任務(wù)包括符號解析、地址解析、重定位等，以確保所有部分正確地組合在一起。

• 指令：gcc? code.o?-o mycode

??4.1庫的概念

? ? ?庫通常指的是包含可重用代碼和資源的集合，目的是為了幫助開發(fā)者完成特定任務(wù)。庫可以包含函數(shù)、類、變量、子例程等，提供了一組API（應(yīng)用程序接口）或者工具，使得開發(fā)者能夠更輕松地完成常見的編程任務(wù)，而無需從頭開始編寫所有的代碼。

? ? ?我們的C程序中，并沒有定義printf的函數(shù)實(shí)現(xiàn),且在預(yù)編譯中包含的“stdio.h”中也只有該函數(shù)的聲明,而沒有定義函數(shù)的實(shí)現(xiàn),那么,是在哪里實(shí)現(xiàn)printf函數(shù)的呢? 答案是:系統(tǒng)把這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)都被做到名為?libc.so.6 的庫文件中去了,在沒有特別指定時(shí),gcc會到系統(tǒng)默認(rèn)的搜索路徑/usr/lib下進(jìn)行查找,會默認(rèn)找到C的標(biāo)準(zhǔn)庫，它會把我們寫的源代碼經(jīng)過編譯得到的目標(biāo)文件與庫文件進(jìn)行鏈接，也就是鏈接到 libc.so.6 庫函數(shù)中去,這樣就能實(shí)現(xiàn)函數(shù)printf了,而這也就是鏈接的作用。

• ?libc.so.6 就是C語言的標(biāo)準(zhǔn)庫。?

??4.2庫的特點(diǎn)

1. 可重用性： 庫中的代碼可以在不同的程序中被重復(fù)使用，從而減少了代碼的冗余，提高了開發(fā)效率。

2. 封裝性： 庫提供了一個封裝的接口，隱藏了內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使得開發(fā)者可以專注于使用功能而不必關(guān)心底層的實(shí)現(xiàn)。

3. 模塊化： 庫通常被組織成模塊，每個模塊負(fù)責(zé)一個特定的功能。這種模塊化的設(shè)計(jì)有助于提高代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

4. 標(biāo)準(zhǔn)化： 一些庫成為了編程的標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛接受和使用。這樣的庫通常提供了一些通用的解決方案，被廣泛認(rèn)可并得到社區(qū)的支持。

??4.3庫的分類

? ? ?庫分為兩類：動態(tài)庫和靜態(tài)庫。其中Linux環(huán)境下，動態(tài)庫的后綴是.so，靜態(tài)庫的后綴是.a。在Windows環(huán)境下，動態(tài)庫的后綴是.dll，靜態(tài)庫的后綴是.lib。所有的庫文件，都遵守相同的命名規(guī)則，即：libname.后綴.xxx。

• 靜態(tài)庫（Static Library）： 在編譯時(shí)被鏈接到程序中，程序在運(yùn)行前就包含了庫的代碼。這意味著庫的代碼被復(fù)制到了程序的可執(zhí)行文件中。

• 動態(tài)庫（Dynamic Library）： 在運(yùn)行時(shí)被加載到內(nèi)存中，程序在運(yùn)行時(shí)可以調(diào)用庫的函數(shù)。這樣可以減小程序的大小，因?yàn)槎鄠€程序可以共享同一個庫的實(shí)例。

?常見的庫包括標(biāo)準(zhǔn)庫（如C標(biāo)準(zhǔn)庫、C++標(biāo)準(zhǔn)庫）、圖形界面庫（如Qt、GTK+）、數(shù)學(xué)庫（如NumPy）、網(wǎng)絡(luò)庫（如libcurl）、以及許多其他領(lǐng)域的專用庫。

??4.4動態(tài)鏈接

? ? ?動態(tài)鏈接是一種在程序運(yùn)行時(shí)將代碼和數(shù)據(jù)庫鏈接到程序中的技術(shù)。把庫中要用到的庫函數(shù)的地址寫到在我們代碼中調(diào)用這個函數(shù)的地方，就是動態(tài)鏈接。

• 指令ldd 可執(zhí)行程序，可以查看一個可執(zhí)行程序所依賴的動態(tài)庫。

gcc的默認(rèn)行為是動態(tài)鏈接?

??動態(tài)鏈接的優(yōu)點(diǎn)：

• 節(jié)省內(nèi)存：?多個程序可以共享同一份庫的實(shí)例，從而節(jié)省內(nèi)存。
• 易于更新：?更新庫時(shí)，不需要重新編譯所有依賴于該庫的程序。只需替換庫的新版本即可。
• 靈活性：?可以在程序運(yùn)行時(shí)動態(tài)加載和卸載庫，使得程序更加靈活。

???動態(tài)鏈接的缺點(diǎn)：

• 依賴性：對庫的依賴性強(qiáng) 一旦庫丟失，所有使用這個庫的程序都無法運(yùn)行

??4.5靜態(tài)鏈接

? ? ?靜態(tài)鏈接是一種在程序編譯時(shí)將所有代碼和庫鏈接到一個獨(dú)立的可執(zhí)行文件的過程。這意味著在程序運(yùn)行之前，所有的代碼和庫已經(jīng)被合并成一個單獨(dú)的可執(zhí)行文件。把庫中的代碼拷貝到我們的可執(zhí)行程序中，就是靜態(tài)鏈接。

在Linux中默認(rèn)是沒有靜態(tài)庫的，需要我們自己安裝。

• sudo yum install -y glibc-static?
• gcc code.c -o mycode-static -static
• 其中 -static表示執(zhí)行靜態(tài)鏈接

??靜態(tài)鏈接的優(yōu)點(diǎn)：

• 獨(dú)立性：?生成的可執(zhí)行文件是完全獨(dú)立的，不需要外部的依賴。這使得程序更容易分發(fā)和部署，因?yàn)橛脩糁恍枰粋€文件就可以運(yùn)行程序。
• 性能：?靜態(tài)鏈接的程序在運(yùn)行時(shí)無需進(jìn)行額外的庫加載，因此在一些情況下可能會稍微快于動態(tài)鏈接的程序。

??靜態(tài)鏈接的缺點(diǎn)：

• 占用空間：?由于每個可執(zhí)行文件包含了所需的所有代碼和庫，因此靜態(tài)鏈接的程序通常比動態(tài)鏈接的程序更大。
• 更新困難：?如果庫被更新，需要重新編譯并重新分發(fā)整個可執(zhí)行文件，而不僅僅是替換庫文件。

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