轉(zhuǎn)-gcc 精彩之旅

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gcc 精彩之旅
在為L(zhǎng)inux開發(fā)應(yīng)用程序時(shí)，絕大多數(shù)情況下使用的都是C語(yǔ)言，因此幾乎每一位Linux程序員面臨的首要問(wèn)題都是如何靈活運(yùn)用C編譯器。目前
Linux
下最常用的C語(yǔ)言編譯器是GCC（GNU Compiler Collection），它是GNU項(xiàng)目中符合ANSI
C標(biāo)準(zhǔn)的編譯系統(tǒng)，
能夠編譯用C、C++和Object
C等語(yǔ)言編寫的程序。GCC不僅功能非常強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)也異常靈活。最值得稱道的一點(diǎn)就是它可以通過(guò)不同的前端模塊來(lái)
支持各種語(yǔ)言，如Java、
Fortran、Pascal、Modula-3和Ada等。
開放、自由和靈活是Linux的魅力所在，而這一點(diǎn)在GCC上的體現(xiàn)就是程序員通過(guò)它能夠更好地控制整個(gè)編譯過(guò)程。在使用GCC編譯程序時(shí)，編譯過(guò)程可
以被細(xì)分為四個(gè)階段：
◆
預(yù)處理（Pre-Processing）
◆ 編譯（Compiling）
◆ 匯編（Assembling）
◆
鏈接（Linking）
Linux程序員可以根據(jù)自己的需要讓
GCC在編譯的任何階段結(jié)束，以便檢查或使用編譯器在該階段的輸出信息，或者對(duì)最后生成的二進(jìn)制文件進(jìn)行控制，
以便通過(guò)加入不同數(shù)量和種類的調(diào)試代碼來(lái)為今后的調(diào)試做好準(zhǔn)備。和其它常用的編譯器一樣，GCC也提供了靈活而強(qiáng)大的代碼優(yōu)化功能，利用它可以生成執(zhí)行
效率更高的代碼。
GCC提供了30多條警告信息和三個(gè)警告級(jí)別，使用它們有助于增強(qiáng)程序的穩(wěn)定性和可移植性。此外，GCC還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的C和C++語(yǔ)言進(jìn)行了大量的擴(kuò)展，提
高程序的執(zhí)行效率，有助于編譯器進(jìn)行代碼優(yōu)化，能夠減輕編程的工作量。
GCC起步
在學(xué)習(xí)使用GCC之前，下面的這個(gè)例子能夠幫助用戶迅速理解GCC的工作原理，并將其立即運(yùn)用到實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中去。首先用熟悉的編輯器輸入清單1所示
的代碼：
清單1：hello.c
#include
int main(void)
{
printf ("Hello world, Linux
programming!\\n");
return 0;
}
然后執(zhí)行下面的命令編譯和運(yùn)行這段程序：
# gcc hello.c -o
hello
# ./hello
Hello world, Linux
programming!
從程序員的角度看，只需簡(jiǎn)單地執(zhí)行一條GCC命令就可以了，但從編譯器的角度來(lái)看，卻需要完成一系列非常繁雜的工作。首先，GCC需要調(diào)用預(yù)處理程序
cpp，由它負(fù)責(zé)展開在源文件中定義的宏，并向其中插入"#include"語(yǔ)句所包含的內(nèi)容；接著，GCC會(huì)調(diào)用ccl和as將處理后的源代碼編譯成
目標(biāo)代碼；最后，GCC會(huì)調(diào)用鏈接程序ld，把生成的目標(biāo)代碼鏈接成一個(gè)可執(zhí)行程序。
為了更好地理解GCC的工作過(guò)程，可以把上述編譯過(guò)程分成幾個(gè)步驟單獨(dú)進(jìn)行，并觀察每步的運(yùn)行結(jié)果。第一步是進(jìn)行預(yù)編譯，使用-E參數(shù)可以讓GCC在預(yù)
處理結(jié)束后停止編譯過(guò)程：
#
gcc -E hello.c -o
hello.i
此時(shí)若查看hello.cpp文件中的內(nèi)容，會(huì)發(fā)現(xiàn)stdio.h的內(nèi)容確實(shí)都插到文件里去了，而其它應(yīng)當(dāng)被預(yù)處理的宏定義也都做了相應(yīng)的處理。下一步
是將hello.i編譯為目標(biāo)代碼，這可以通過(guò)使用-c參數(shù)來(lái)完成：
#
gcc -c hello.i -o
hello.o
GCC默認(rèn)將.i文件看成是預(yù)處理后的C語(yǔ)言源代碼，因此上述命令將自動(dòng)跳過(guò)預(yù)處理步驟而開始執(zhí)行編譯過(guò)程，也可以使用-x參數(shù)讓GCC從指定的步驟開
始編譯。最后一步是將生成的目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件：
#
gcc hello.o -o
hello
在采用模塊化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，通常整個(gè)程序是由多個(gè)源文件組成的，相應(yīng)地也就形成了多個(gè)編譯單元，使用GCC能夠很好地管理這些編譯單元。假
設(shè)有一個(gè)由foo1.c和foo2.c兩個(gè)源文件組成的程序，為了對(duì)它們進(jìn)行編譯，并最終生成可執(zhí)行程序foo，可以使用下面這條命令：
#
gcc foo1.c foo2.c -o
foo
如果同時(shí)處理的文件不止一個(gè)，GCC仍然會(huì)按照預(yù)處理、編譯和鏈接的過(guò)程依次進(jìn)行。如果深究起來(lái)，上面這條命令大致相當(dāng)于依次執(zhí)行如下三條命令：
#
gcc -c foo1.c -o foo1.o
# gcc -c foo2.c -o foo2.o
# gcc foo1.o foo2.o -o
foo
在編譯一個(gè)包含許多源文件的工程時(shí)，若只用一條GCC命令來(lái)完成編譯是非常浪費(fèi)時(shí)間的。假設(shè)項(xiàng)目中有100個(gè)源文件需要編譯，并且每個(gè)源文件中都包含
10000行代碼，如果像上面那樣僅用一條GCC命令來(lái)完成編譯工作，那么GCC需要將每個(gè)源文件都重新編譯一遍，然后再全部連接起來(lái)。很顯然，這樣浪
費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)多，尤其是當(dāng)用戶只是修改了其中某一個(gè)文件的時(shí)候，完全沒(méi)有必要將每個(gè)文件都重新編譯一遍，因?yàn)楹芏嘁呀?jīng)生成的目標(biāo)文件是不會(huì)改變的。要解
決這個(gè)問(wèn)題，關(guān)鍵是要靈活運(yùn)用GCC，同時(shí)還要借助像Make這樣的工具。
警告提示功能
GCC包含完整的出錯(cuò)檢查和警告提示功能，它們可以幫助Linux程序員寫出更加專業(yè)和優(yōu)美的代碼。先來(lái)讀讀清單2所示的程序，這段代碼寫得很糟糕，仔
細(xì)檢查一下不難挑出很多毛�。�
◆main函數(shù)的返回值被聲明為void，但實(shí)際上應(yīng)該是int；
◆使用了GNU語(yǔ)法擴(kuò)展，即使用long
long來(lái)聲明64位整數(shù)，不符合ANSI/ISO
C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)；
◆main函數(shù)在終止前沒(méi)有調(diào)用return語(yǔ)句。
清單2：illcode.c
#include
void main(void)
{
long long int var = 1;
printf("It
is not standard C
code!\\n");
}
下面來(lái)看看GCC是如何幫助程序員來(lái)發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的。當(dāng)GCC在編譯不符合ANSI/ISO
C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的源代碼時(shí)，如果加上了-pedantic選
項(xiàng)，那么使用了擴(kuò)展語(yǔ)法的地方將產(chǎn)生相應(yīng)的警告信息：
# gcc -pedantic
illcode.c -o illcode
illcode.c: In function `main':
illcode.c:9: ISO C89
does not support `long long'
illcode.c:8: return type of `main' is not
`int'
需要注意的是，-pedantic編譯選項(xiàng)并不能保證被編譯程序與ANSI/ISO
C標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容，它僅僅只能用來(lái)幫助Linux程序員離這個(gè)目標(biāo)
越來(lái)越近。或者換句話說(shuō)，-pedantic選項(xiàng)能夠幫助程序員發(fā)現(xiàn)一些不符合
ANSI/ISO C標(biāo)準(zhǔn)的代碼，但不是全部，事實(shí)上只有ANSI/
ISO
C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中要求進(jìn)行編譯器診斷的那些情況，才有可能被GCC發(fā)現(xiàn)并提出警告。
除了-pedantic之外，GCC還有一些其它編譯選項(xiàng)也能夠產(chǎn)生有用的警告信息。這些選項(xiàng)大多以-W開頭，其中最有價(jià)值的當(dāng)數(shù)-Wall了，使用它
能夠使GCC產(chǎn)生盡可能多的警告信息：
#
gcc -Wall illcode.c -o illcode
illcode.c:8: warning: return type of `main' is
not `int'
illcode.c: In function `main':
illcode.c:9: warning: unused
variable
`var'
GCC給出的警告信息雖然從嚴(yán)格意義上說(shuō)不能算作是錯(cuò)誤，但卻很可能成為錯(cuò)誤的棲身之所。一個(gè)優(yōu)秀的Linux程序員應(yīng)該盡量避免產(chǎn)生警告信息，使自己
的代碼始終保持簡(jiǎn)潔、優(yōu)美和健壯的特性。
在處理警告方面，另一個(gè)常用的編譯選項(xiàng)是-Werror，它要求GCC將所有的警告當(dāng)成錯(cuò)誤進(jìn)行處理，這在使用自動(dòng)編譯工具（如Make等）時(shí)非常有
用。如果編譯時(shí)帶上-Werror選項(xiàng)，那么GCC會(huì)在所有產(chǎn)生警告的地方停止編譯，迫使程序員對(duì)自己的代碼進(jìn)行修改。只有當(dāng)相應(yīng)的警告信息消除時(shí)，才
可能將編譯過(guò)程繼續(xù)朝前推進(jìn)。執(zhí)行情況如下：
#
gcc -Wall -Werror illcode.c -o illcode
cc1: warnings being treated as
errors
illcode.c:8: warning: return type of `main' is not `int'
illcode.c:
In function `main':
illcode.c:9: warning: unused variable
`var'
對(duì)Linux程序員來(lái)講，GCC給出的警告信息是很有價(jià)值的，它們不僅可以幫助程序員寫出更加健壯的程序，而且還是跟蹤和調(diào)試程序的有力工具。建議在用
GCC編譯源代碼時(shí)始終帶上-Wall選項(xiàng)，并把它逐漸培養(yǎng)成為一種習(xí)慣，這對(duì)找出常見(jiàn)的隱式編程錯(cuò)誤很有幫助。
庫(kù)依賴
在Linux
下開發(fā)軟件時(shí)，完全不使用第三方函數(shù)庫(kù)的情況是比較少見(jiàn)的，通常來(lái)講都需要借助一個(gè)或多個(gè)函數(shù)庫(kù)的支持才能夠完成相應(yīng)的功能。從程序員的
角度看，函數(shù)庫(kù)實(shí)際上就是一些頭文件（.h）和庫(kù)文件（.so或者.a）的集合。雖然Linux下的大多數(shù)函數(shù)都默認(rèn)將頭文件放到/usr/
include/目錄下，而庫(kù)文件則放到/usr/lib/目錄下，但并不是所有的情況都是這樣。正因如此，GCC在編譯時(shí)必須有自己的辦法來(lái)查找所需
要的頭文件和庫(kù)文件。
GCC采用搜索目錄的辦法來(lái)查找所需要的文件，-I選項(xiàng)可以向GCC的頭文件搜索路徑中添加新的目錄。例如，如果在/home/xiaowp/
include/目錄下有編譯時(shí)所需要的頭文件，為了讓GCC能夠順利地找到它們，就可以使用-I選項(xiàng)：
#
gcc foo.c -I /home/xiaowp/include -o
foo
同樣，如果使用了不在標(biāo)準(zhǔn)位置的庫(kù)文件，那么可以通過(guò)-L選項(xiàng)向GCC的庫(kù)文件搜索路徑中添加新的目錄。例如，如果在/home/xiaowp/
lib/目錄下有鏈接時(shí)所需要的庫(kù)文件libfoo.so，為了讓GCC能夠順利地找到它，可以使用下面的命令：
#
gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -lfoo -o
foo
值得好好解釋一下的是-l選項(xiàng)，它指示GCC去連接庫(kù)文件libfoo.so。Linux下的庫(kù)文件在命名時(shí)有一個(gè)約定，那就是應(yīng)該以lib三個(gè)字母開
頭，由于所有的庫(kù)文件都遵循了同樣的規(guī)范，因此在用-l選項(xiàng)指定鏈接的庫(kù)文件名時(shí)可以省去lib三個(gè)字母，也就是說(shuō)GCC在對(duì)-lfoo進(jìn)行處理時(shí)，會(huì)
自動(dòng)去鏈接名為libfoo.so的文件。
Linux下的庫(kù)文件分為兩大類分別是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（通常以.so結(jié)尾）和靜態(tài)鏈接庫(kù)（通常以.a結(jié)尾），兩者的差別僅在程序執(zhí)行時(shí)所需的代碼是在運(yùn)行時(shí)
動(dòng)態(tài)加載的，還是在編譯時(shí)靜態(tài)加載的。默認(rèn)情況下，GCC在鏈接時(shí)優(yōu)先使用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，只有當(dāng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)不存在時(shí)才考慮使用靜態(tài)鏈接庫(kù)，如果需要的話可
以在編譯時(shí)加上-static選項(xiàng)，強(qiáng)制使用靜態(tài)鏈接庫(kù)。例如，如果在/home/xiaowp/lib/目錄下有鏈接時(shí)所需要的庫(kù)文件
libfoo.so和
libfoo.a，為了讓 GCC在鏈接時(shí)只用到靜態(tài)鏈接庫(kù)，可以使用下面的命令：
# gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib
-static -lfoo -o
foo
代碼優(yōu)化
代碼優(yōu)化指的是編譯器通過(guò)分析源代碼，找出其中尚未達(dá)到最優(yōu)的部分，然后對(duì)其重新進(jìn)行組合，目的是改善程序的執(zhí)行性能。GCC提供的代碼優(yōu)化功能非常強(qiáng)
大，它通過(guò)編譯選項(xiàng)-On來(lái)控制優(yōu)化代碼的生成，其中n是一個(gè)代表優(yōu)化級(jí)別的整數(shù)。對(duì)于不同版本的GCC來(lái)講，n的取值范圍及其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化效果可能并不
完全相同，比較典型的范圍是從0變化到2或3。
編譯時(shí)使用選項(xiàng)-O可以告訴
GCC同時(shí)減小代碼的長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間，其效果等價(jià)于-O1。在這一級(jí)別上能夠進(jìn)行的優(yōu)化類型雖然取決于目標(biāo)處理器，但一般
都會(huì)包括線程跳轉(zhuǎn)（Thread
Jump）和延遲退棧（Deferred Stack
Pops）兩種優(yōu)化。選項(xiàng)-O2告訴GCC除了完成所有-O1
級(jí)別的優(yōu)化之外，同時(shí)還要進(jìn)行一些額外的調(diào)整工作，如處理器指令調(diào)度等。選項(xiàng)-O3則除了完成所有-O2級(jí)別的優(yōu)化之外，還包括循環(huán)展開和其它一些與處
理器特性相關(guān)的優(yōu)化工作。通常來(lái)說(shuō)，數(shù)字越大優(yōu)化的等級(jí)越高，同時(shí)也就意味著程序的運(yùn)行速度越快。許多Linux程序員都喜歡使用-O2選項(xiàng)，因?yàn)樗��?br /> 優(yōu)化長(zhǎng)度、編譯時(shí)間和代碼大小之間，取得了一個(gè)比較理想的平衡點(diǎn)。
下面通過(guò)具體實(shí)例來(lái)感受一下GCC的代碼優(yōu)化功能，所用程序如清單3所示。
清單3：optimize.c
#include
int main(void)
{
double counter;
double
result;
double temp;
for (counter = 0;
counter
int main(void)
{
int input =0;
printf("Input an
integer:");
scanf("%d", input);
printf("The integer you input is %d\\n",
input);
return 0;
}
編譯并運(yùn)行上述代碼，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)重的段錯(cuò)誤（Segmentation
fault）如下：
# gcc -g crash.c -o crash
# ./crash
Input an
integer:10
Segmentation
fault
為了更快速地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤所在，可以使用GDB進(jìn)行跟蹤調(diào)試，方法如下：
# gdb crash
GNU gdb Red
Hat Linux
(5.3post-0.20021129.18rh)
......
(gdb)
當(dāng)GDB提示符出現(xiàn)的時(shí)候，表明GDB已經(jīng)做好準(zhǔn)備進(jìn)行調(diào)試了，現(xiàn)在可以通過(guò)run命令讓程序開始在GDB的監(jiān)控下運(yùn)行：
(gdb)
run
Starting program: /home/xiaowp/thesis/gcc/code/crash
Input an
integer:10
Program received signal SIGSEGV, Segmentation
fault.
0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from
/lib/libc.so.6
仔細(xì)分析一下GDB給出的輸出結(jié)果不難看出，程序是由于段錯(cuò)誤而導(dǎo)致異常中止的，說(shuō)明內(nèi)存操作出了問(wèn)題，具體發(fā)生問(wèn)題的地方是在調(diào)用
_IO_vfscanf_internal
( )的時(shí)候。為了得到更加有價(jià)值的信息，可以使用GDB提供的回溯跟蹤命令backtrace，執(zhí)行結(jié)果
如下：
(gdb)
backtrace
#0 0x4008576b in _IO_vfscanf_internal () from /lib/libc.so.6
#1
0xbffff0c0 in ?? ()
#2 0x4008e0ba in scanf () from /lib/libc.so.6
#3
0x08048393 in main () at crash.c:11
#4 0x40042917 in __libc_start_main ()
from
/lib/libc.so.6
跳過(guò)輸出結(jié)果中的前面三行，從輸出結(jié)果的第四行中不難看出，GDB已經(jīng)將錯(cuò)誤定位到crash.c中的第11行了�，F(xiàn)在仔細(xì)檢查一下：
(gdb)
frame 3
#3 0x08048393 in main () at crash.c:11
11 scanf("%d",
input);
使用GDB提供的frame命令可以定位到發(fā)生錯(cuò)誤的代碼段，該命令后面跟著的數(shù)值可以在backtrace命令輸出結(jié)果中的行首找到。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)
誤所在了，應(yīng)該將
scanf("%d",
input);
改為
scanf("%d", &input);
完成后就可以退出GDB了，命令如下：
(gdb)
quit
GDB的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，它還可以單步跟蹤程序、檢查內(nèi)存變量和設(shè)置斷點(diǎn)等。
調(diào)試時(shí)可能會(huì)需要用到編譯器產(chǎn)生的中間結(jié)果，這時(shí)可以使用-save-temps選項(xiàng)，讓GCC將預(yù)處理代碼、匯編代碼和目標(biāo)代碼都作為文件保存起來(lái)。
如果想檢查生成的代碼是否能夠通過(guò)手工調(diào)整的辦法來(lái)提高執(zhí)行性能，在編譯過(guò)程中生成的中間文件將會(huì)很有幫助，具體情況如下：
#
gcc -save-temps foo.c -o foo
# ls foo*
foo foo.c foo.i foo.s
GCC
支持的其它調(diào)試選項(xiàng)還包括-p和-pg，它們會(huì)將剖析（Profiling）信息加入到最終生成的二進(jìn)制代碼中。剖析信息對(duì)于找出程序的性能瓶
頸很有幫助，是協(xié)助Linux程序員開發(fā)出高性能程序的有力工具。在編譯時(shí)加入-p選項(xiàng)會(huì)在生成的代碼中加入通用剖析工具（Prof）能夠識(shí)別的統(tǒng)計(jì)信
息，而-
pg選項(xiàng)則生成只有GNU剖析工具（Gprof）才能識(shí)別的統(tǒng)計(jì)信息。
最后提醒一點(diǎn)，雖然GCC允許在優(yōu)化的同時(shí)加入調(diào)試符號(hào)信息，但優(yōu)化后的代碼對(duì)于調(diào)試本身而言將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。代碼在經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，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(huì)突然跳轉(zhuǎn)到意外的地方，循環(huán)語(yǔ)句有可能因?yàn)檠�環(huán)展開而變得到處都有，所有這些對(duì)調(diào)試來(lái)講都將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。建
議在調(diào)試的時(shí)候最好不使用任何優(yōu)化選項(xiàng)，只有當(dāng)程序在最終發(fā)行的時(shí)候才考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
               
               
               

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