3. GCC和Hello World

本章以Linux下使用GCC编译Hello World程序来讲解Linux C编程的相关流程和概念。

在Windows下开发C程序代码可以用Visual Studio,开发MCU的程序可以使用Keil、IAR等IDE集成开发环境;而在Linux下也有类似的IDE,如eclipse、Clion等。在这些环境下开发通常我们按照它们预定的步骤建立工程模板,再编写具体的代码,直接点击对应的编译、运行按钮即可完成操作。

在开发大型应用程序特别是调试的时候,使用IDE是非常好的选择, IDE的一个特点是它把各种常用操作封装成图形界面供用户使用,但如同学习Shell命令行的原因一样,在图形界面之下还潜藏着海量的功能,在Linux下的日常开发中常常直接使用命令行来操作,编译时配合其它命令行工具的时候简单快捷,而且非常直观,有利于了解编译的原理。

本章通过解构hello world程序在Linux下的编译运行过程, 掌握GCC、readelf、ldd工具的基本使用,便于理解开发流程以及后期建立编译工具链是要做什么事情。 了解各编译步骤及其生成的文件,这对后期编写Makefile及使用其它工具大有好处。 了解程序的链接过程有利于明白为什么某些程序需要 依赖特定的文件,从而方便专门定制Linux文件系统。

本章的示例代码目录为:base_code/linux_app/hello_c。

3.1. GCC编译工具链

GCC编译工具链(toolchain)是指以GCC编译器为核心的一整套工具,用于把源代码转化成可执行应用程序。它主要包含以下三部分内容:

  • gcc-core:即GCC编译器,用于完成预处理和编译过程,例如把C代码转换成汇编代码。
  • Binutils :除GCC编译器外的一系列小工具包括了链接器ld,汇编器as、目标文件格式查看器readelf等。
  • glibc:包含了主要的 C语言标准函数库,C语言中常常使用的打印函数printf、malloc函数就在glibc 库中。

在很多场合下会直接用GCC编译器来指代整套GCC编译工具链。

3.1.1. GCC编译器

GCC(GNU Compiler Collection)是由 GNU 开发的编程语言编译器。 GCC最初代表”GNU C Compiler”,当时只支持C语言。 后来又扩展能够支持更多编程语言,包括 C++、Fortran 和 Java 等。 因此,GCC也被重新定义为”GNU Compiler Collection”,成为历史上最优秀的编译器, 其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高 20%~30%。

GCC的官网地址为:https://gcc.gnu.org/,在Ubuntu系统下系统默认已经安装好GCC编译器,可以通过如下命令查看Ubuntu系统中GCC编译器的版本及安装路径:

#在主机上执行如下命令
gcc -v          #查看gcc编译器版本
which gcc       #查看gcc的安装路径
系统自带的GCC编译器

图中的两处信息说明如下:

  • “Target:x86_64-linux-gnu”表示该GCC的目标平台为x86_64架构(Intel、AMD的CPU), 表示它编译生成的应用程序只适用于x86架构,不适用于ARM开发板平台。
  • “gcc version 7.4.0”表明该GCC的版本为7.4.0,部分程序可能会对编译器版本有要求, 不过我们演示使用的应用程序比较简单,兼容性好,一开始可以不用在乎这个, 而编译指定版本的uboot、Linux内核的时候可能会对GCC有版本要求。

3.1.2. Binutils工具集

Binutils(bin utility),是GNU二进制工具集,通常跟GCC编译器一起打包安装到系统,它的官方说明网站地址为:https://www.gnu.org/software/binutils/

在进行程序开发的时候通常不会直接调用这些工具,而是在使用GCC编译指令的时候由GCC编译器间接调用。下面是其中一些常用的工具:

  • as:汇编器,把汇编语言代码转换为机器码(目标文件)。
  • ld:链接器,把编译生成的多个目标文件组织成最终的可执行程序文件。
  • readelf:可用于查看目标文件或可执行程序文件的信息。
  • nm : 可用于查看目标文件中出现的符号。
  • objcopy: 可用于目标文件格式转换,如.bin 转换成 .elf 、.elf 转换成 .bin等。
  • objdump:可用于查看目标文件的信息,最主要的作用是反汇编。
  • size:可用于查看目标文件不同部分的尺寸和总尺寸,例如代码段大小、数据段大小、使用的静态内存、总大小等。

系统默认的Binutils工具集位于/usr/bin目录下,可使用如下命令查看系统中存在的Binutils工具集:

#在Ubantu上执行如下命令
ls /usr/bin/ | grep linux-gnu-
Binutils工具集的部分内容

图中列出的是Binutils工具的完整名字,在终端中使用时通常直接使用它们的别名即可, 在后面的讲解我们会使用到readelf工具。

3.1.3. glibc库

glibc库是GNU组织为GNU系统以及Linux系统编写的C语言标准库,因为绝大部分C程序都依赖该函数库,该文件甚至会直接影响到系统的正常运行,例如常用的文件操作函数read、write、open,打印函数printf、动态内存申请函数malloc等。

在Ubuntu系统下,libc.so.6是glibc的库文件,可直接执行该库文件查看版本,在主机上执行如下命令:

#在Ubantu上执行如下命令
#以下是Ubuntu 64位机的glibc库文件路径,可直接执行
/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
直接运行glibc函数库查看其版本

图中表示本系统中使用的glibc是2.27版本,是由GCC 7.3.0版本的编译器编译出来的。

学习C语言的时候,可能有同学特别好奇printf、malloc之类的函数是如何实现的, 但是在Windows下的C库是不开源的,无法查看,而在Linux下, 则可以直接研究glibc的源代码,甚至加入开发社区贡献自己的代码,glibc的官网地址为: https://www.gnu.org/software/libc/ ,可在该网站中下载源代码来学习。

为了更直观地感受GCC编译工具,请跟着以下的步骤来打开新世界的大门吧。

3.2. X86_64平台、Ubuntu系统下的HelloWorld

3.2.1. 创建工作目录

为方便进行后面的各种实验,首先建立一个工作目录workdir/example, 并在其下建立本章使用的hello_c目录:

#在Ubantu上执行如下命令
mkdir -p ~/workdir/example/hello_c #创建hello_c目录

3.2.2. 编写代码文件

使用你喜欢的编辑器新建一个名为hello.c的文件,输入如下面的示例代码并保存至hello_c目录下。

../../base_code/linux_app/hello_c/hello.c
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/* $begin hello */
#include <stdio.h>

int main() 
{
	printf("hello, world! This is a C program.\n");
	for(int i=0;i<10;i++ ){
		printf("output i=%d\n",i);
	}

	return 0;
}
/* $end hello */

这是一个非常通用的C Hello World代码,在Windows下和Linux下并没有什么区别, 甚至跟STM32或RT1052等MCU的裸机代码差异也不大,只是在MCU平台下会多了一些硬件初始化的内容。

3.2.3. 编译并执行

Ubuntu默认安装GCC编译工具链,写好程序后可以直接进行编译,请尝试执行以下命令:

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#在Ubantu的hello_c目录下执行如下命令
gcc hello.c –o hello #使用gcc把hello.c编译成hello程序

ls        #查看目录下的文件
./hello   #执行生成的hello程序

#若提示权限不够或不是可执行文件,执行如下命令再运行hello程序
chmod u+x hello #给hello文件添加可执行权限

如下图:

GCC编译结果

如图所示,执行gcc编译命令后看到目录下生成了一个可执行文件hello, 然后通过”./”符号加上程序的名字即可运行,此处的”.”表示当前目录, 所以当我们想运行一个可执行程序的时候,输出它的路径名即可执行。 hello程序运行时代码中printf的内容直接输出到了终端。

3.3. ARM平台、Debian系统下的HelloWorld

3.3.1. 安装GCC编译工具链

野火提供的Debian系统镜像默认不带gcc编译器,开发板启动以后,执行以下命令安装GCC编译工具链

sudo apt install gcc -y

如下图:

GCC安装编译工具链

GCC工具链包括了binutils、readelf工具,因此GCC安装完成后,binutils、readelf等工具也可以直接使用。

运行以下指令查看GCC版本与安装路径。

gcc -v          #查看gcc编译器版本
which gcc       #查看gcc的安装路径

如下图:

Debian GCC

与前面介绍的Ubuntu中GCC不一样的是,开发板中gcc编译工具链的目标平台是arm架构的,表示它生成的应用程序只能运行于ARM平台的开发板, 而不适合用于X86平台。

3.3.2. 创建工作目录

先在当前用户下创建一个本章节使用的工作目录workdir/example/hello_c。

#在Debian上执行如下命令
mkdir -p ~/workdir/example/hello_c #创建hello_c目录

3.3.3. 编写代码文件

使用编辑器新建一个名为hello.c的文件,输入如下面的示例代码并保存至hello_c目录下。

../../base_code/linux_app/hello_c/hello.c
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/* $begin hello */
#include <stdio.h>

int main() 
{
	printf("hello, world! This is a C program.\n");
	for(int i=0;i<10;i++ ){
		printf("output i=%d\n",i);
	}

	return 0;
}
/* $end hello */

3.3.4. 编译并执行

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#在Debian的hello_c目录下执行如下命令
gcc hello.c –o hello #使用gcc把hello.c编译成hello程序

ls        #查看目录下的文件
./hello   #执行生成的hello程序

#若提示权限不够或不是可执行文件,执行如下命令再运行hello程序
chmod u+x hello #给hello文件添加可执行权限

如下图:

GCC编译结果

运行结果与前面X86_64、Ubantu系统的HelloWorld执行结果一致。

这就是在Linux下使用GCC开发简单C应用程序并运行的基本流程,下面我们针对GCC编译过程进行讲解。

3.4. GCC编译过程

3.4.1. 基本语法

GCC使用的命令语法如下:

gcc [选项] 输入的文件名

常用选项:

  • -o:小写字母”o”,指定生成的可执行文件的名字,不指定的话生成的可执行文件名为a.out。
  • -E:只进行预处理,既不编译,也不汇编。
  • -S:只编译,不汇编。
  • -c:编译并汇编,但不进行链接。
  • -g:生成的可执行文件带调试信息,方便使用gdb进行调试。
  • -Ox:大写字母”O”加数字,设置程序的优化等级,如”-O0”“-O1” “-O2” “-O3”, 数字越大代码的优化等级越高,编译出来的程序一般会越小,但有可能会导致程序不正常运行。

3.4.1.1. 编译过程

若不了解程序的编译过程,那么GCC的编译选项会让人一头雾水。下面以X86_64平台下Ubuntu的编译过程为例进行初步讲解, ARM平台下Debian的编译过程也是类似的,不再进行分析。

GCC编译选项除了-g和-Ox选项,其它选项实际上都是编译的分步骤,即只进行某些编译过程。

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#直接编译成可执行文件
gcc hello.c -o hello

#以上命令等价于执行以下全部操作
#预处理,可理解为把头文件的代码汇总成C代码,把*.c转换得到*.i文件
gcc –E hello.c –o hello.i

#编译,可理解为把C代码转换为汇编代码,把*.i转换得到*.s文件
gcc –S hello.i –o hello.s

#汇编,可理解为把汇编代码转换为机器码,把*.s转换得到*.o,即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o

#链接,把不同文件之间的调用关系链接起来,把一个或多个*.o转换成最终的可执行文件
gcc hello.o –o hello

对于有MCU开发经验的读者,建议学习一下野火的《STM32库开发实战指南》、《i.MX RT库开发实战指南》中《MDK的编译过程及文件详解》章节,它从MCU的角度非常详细地讲解了上述编译过程。GCC的编译过程也是一样的,而且在Linux平台下解构这个过程更加直观,不过本章作为入门章节,仅从表面去建立编译原理的轮廓,不作深入介绍。

GCC 编译工具链在编译一个C源文件时需要经过以下 4 步:

  1. 预处理,在预处理过程中,对源代码文件中的文件包含(include)、 预编译语句(如宏定义define等)进行展开,生成.i文件。 可理解为把头文件的代码、宏之类的内容转换成更纯粹的C代码,不过生成的文件以.i为后缀。
  2. 编译,把预处理后的.i文件通过编译成为汇编语言,生成.s文件,即把代码从C语言转换成汇编语言,这是GCC编译器完成的工作。
  3. 汇编,将汇编语言文件经过汇编,生成目标文件.o文件,每一个源文件都对应一个目标文件。即把汇编语言的代码转换成机器码,这是as汇编器完成的工作。
  4. 链接,最后将每个源文件对应的.o文件链接起来,就生成一个可执行程序文件,这是链接器ld完成的工作。

以上一节的hello.c为例,后面括号代表的是gcc的参数,分步骤编译过程如下图所示。

gcc编译过程

关于编译原理,大家可以找专门的书籍阅读加深理解,这对程序开发大有裨益,下面带领大家浏览一下各个阶段生成的文件。

3.4.2. 预处理阶段

使用GCC的参数”-E”,可以让编译器生成.i文件,参数”-o”,可以指定输出文件的名字。

具体执行命令如下:

#预处理,可理解为把头文件的代码汇总成C代码,把*.c转换得到*.i文件
gcc –E hello.c –o hello.i

直接用编辑器打开生成的hello.i,可以看到如下的内容

hello.i文件
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# 1 "hello.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "hello.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 1 3 4
# 33 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 424 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
# 427 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 428 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h" 1 3 4
# 429 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 425 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 448 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
# 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
# 449 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 34 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 2 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 1 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
typedef long unsigned int size_t;
# 34 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 28 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
typedef unsigned char __u_char;
typedef unsigned short int __u_short;

...中间省略部分内容...

int main(void)
{
printf("hello, world! This is a C program.\n");
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("output i = %d\n", i );
}
return 0;
}

文件中以”#”开头的是注释,可看到有非常多的类型定义、函数声明被加入到文件中, 这些就是预处理阶段完成的工作,相当于它把原C代码中包含的头文件中引用的内容汇总到一处。 如果原C代码有宏定义,还可以更直观地看到它把宏定义展开成具体的内容(如宏定义代表的数字)。

3.4.3. 编译阶段

GCC可以使用-S选项,让编译程序生成汇编语言的代码文件(.s后缀)。 在这个过程,GCC会检查各个源文件的语法,即使我们调用了一个没有定义的函数,也不会报错。

具体命令如下,生成的hello.s文件可直接使用编辑器打开。

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#编译,可理解为把C代码转换为汇编代码,把*.i转换得到*.s文件
gcc –S hello.i –o hello.s

#也可以直接以C文件作为输入进行编译,与上面的命令是等价的
gcc –S hello.c –o hello.s

编译生成的hello.s文件内容如下:

hello.s文件
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.file "hello.c"
.text
.section .rodata
.align 8
.LC0:
.string "hello, world! This is a C program."
.LC1:
.string "output i = %d\n"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
中间省略部分内容
.L2:
cmpl $9, -4(%rbp)
jle .L3
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

汇编语言是跟平台相关的,由于本示例的GCC目标平台是x86,所以此处生成的汇编文件是x86的汇编代码。

3.4.4. 汇编阶段

GCC的参数”c”表示只编译(compile)源文件但不链接,会将源程序编译成目标文件(.o后缀)。计算机只认识0或者1,不懂得C语言,也不懂得汇编语言,经过编译汇编之后,生成的目标文件包含着机器代码,这部分代码就可以直接被计算机执行。一般情况下,可以直接使用参数”c”,跳过上述的两个过程,具体命令 如下:

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#汇编,可理解为把汇编代码转换为机器码,把*.s转换得到*.o,即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o

#也可以直接以C文件作为输入进行汇编,与上面的命令是等价的
gcc –c hello.c –o hello.o

.o是为了让计算机阅读的,所以不像前面生成的.i和*.s文件直接使用字符串来记录, 如果直接使用编辑器打开,只会看到乱码,如下图。

直接使用VS Code打开*.o文件的提示

Linux下生成的*.o目标文件、*.so动态库文件以及下一小节链接阶段生成最终的可执行文件都是elf格式的, 可以使用”readelf”工具来查看它们的内容。

请亲自尝试执行如下命令:

#在hello.o所在的目录执行如下命令
readelf -a hello.o
使用readelf查看*.o目标文件(部分内容)

从readelf的工具输出的信息,可以了解到目标文件包含ELF头、程序头、节等内容, 对于*.o目标文件或*.so库文件,编译器在链接阶段利用这些信息把多个文件组织起来, 对于可执行文件,系统在运行时根据这些信息加载程序运行。

3.4.5. 链接阶段

链接过程,是将汇编过程生成的所有目标文件进行链接,生成可执行文件。

例如一个工程里包含了A和B两个代码文件,编译后生成了各自的A.o和B.o目标文件, 如果在代码A中调用了B中的某个函数fun,那么在A的代码中只要包含了fun的函数声明, 编译就会通过,而不管B中是否真的定义了fun函数(当然,如果函数声明都没有,编译也会报错)。 也就是说A.o和B.o目标文件在编译阶段是独立的,而在链接阶段, 链接过程需要把A和B之间的函数调用关系理顺,也就是说要告诉A在哪里能够调用到fun函数, 建立映射关系,所以称之为链接。若链接过程中找不到fun函数的具体定义,则会链接报错。

虽然本示例只有一个hello.c文件,但它调用了C标准代码库的printf函数, 所以链接器会把它和printf函数链接起来,生成最终的可执行文件。

链接分为两种:

  • 动态链接,GCC编译时的默认选项。动态是指在应用程序运行时才去加载外部的代码库, 例如printf函数的C标准代码库*.so文件存储在Linux系统的某个位置, hello程序执行时调用库文件*.so中的内容,不同的程序可以共用代码库。 所以动态链接生成的程序比较小,占用较少的内存。
  • 静态链接,链接时使用选项”–static”,它在编译阶段就会把所有用到的库打包到自己的可执行程序中。 所以静态链接的优点是具有较好的兼容性,不依赖外部环境,但是生成的程序比较大。

请尝试执行如下命令体验静态链接与动态链接的区别:

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#在hello.o所在的目录执行如下命令
#动态链接,生成名为hello的可执行文件

gcc hello.o –o hello

#也可以直接使用C文件一步生成,与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello

#静态链接,使用--static参数,生成名为hello_static的可执行文件
gcc hello.o –o hello_static --static

#也可以直接使用C文件一步生成,与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello_static --static
动态链接和静态链接的区别

从图中可以看到,使用动态链接生成的hello程序才8.2KB, 而使用静态链接生成的hello_static程序则高达825KB。

在Ubuntu下,可以使用ldd工具查看动态文件的库依赖,尝试执行如下命令:

#在hello所在的目录执行如下命令
ldd hello
ldd hello_static
使用ldd工具查看动态文件的库依赖

可以看到,动态链接生成的hello程序依赖于库文件linux-vdso.so.1、libc.so.6 以及ld-linux-x86-64.so.2,其中的libc.so.6就是我们常说的C标准代码库, 我们的程序中调用了它的printf库函数。

静态链接生成的hello_static没有依赖外部库文件。