【Linux系统编程】——深入理解 GCC/G++ 编译过程及常用选项详解

前言： 在C/C++开发中，编译器扮演着至关重要的角色，帮助我们将源代码转化为计算机可以直接运行的可执行程序。本文将带你深入了解 GCC/G++ 的编译过程、常用编译选项及相关知识，助你提升开发效率和问题定位能力。

⼀般我们的云服务器，C/C++的静态库并没有安装，可以采⽤如下⽅法安装
Centos
yum install glibc-static libstdc++ -static -y

1. GCC/G++ 编译过程

GCC/G++ 的完整编译过程可以分为以下 4 个阶段：

预处理（Preprocessing）

预处理是编译的第一个阶段，主要功能包括：

1. 宏替换： 替换代码中定义的宏。
2. 条件编译： 根据宏定义有选择地编译部分代码。
3. 头文件展开： 将包含的头文件内容插入到代码中。
4. 注释去除： 删除代码中的注释。

gcc -E hello.c -o hello.i

• -E：只执行预处理，不进入编译阶段。
• -o：指定输出文件名，.i 文件为经过预处理的代码文件。

编译（Compilation）

编译阶段会：

检查代码的合法性（如语法错误）。
将代码翻译成汇编语言。

gcc -S hello.i -o hello.s

• -S：只进行编译，不执行汇编操作，生成 .s 汇编文件。

汇编（Assembly）

汇编阶段将 .s 汇编文件转化为二进制目标代码，生成 .o 文件（目标文件）。

gcc -c hello.s -o hello.o

• -c：只进行汇编，不执行链接，生成 .o 目标文件。

连接（Linking）

连接阶段将多个 .o 目标文件和库文件链接成一个可执行文件。

gcc hello.o -o hello

• 默认链接动态库（如 libc.so.6），生成的可执行文件可以直接运行。

静态链接与动态链接

在实际开发中，通常需要多个源文件协作完成一个程序，而这些源文件之间往往存在函数调用的依赖关系。为了解决这种依赖问题，编译器提供了 静态链接 和 动态链接 两种方式。

静态链接

定义： 在编译链接阶段，将库文件的代码直接嵌入到可执行文件中。
在我们的实际开发中，不可能将所有代码放在⼀个源⽂件中，所以会出现多个源⽂件，⽽且多个源⽂件之间不是独⽴的，⽽会存在多种依赖关系，如⼀个源⽂件可能要调⽤另⼀个源⽂件中定义的函数，但是每个源⽂件都是独⽴编译的，即每个*.c⽂件会形成⼀个*.o⽂件，为了满⾜前⾯说的依赖关系，则需要将这些源⽂件产⽣的⽬标⽂件进⾏链接，从⽽形成⼀个可以执⾏的程序。这个链接的过程就是静态链接。静态链接的缺点很明显：

浪费空间：因为每个可执⾏程序中对所有需要的⽬标⽂件都要有⼀份副本，所以如果多个程序对同⼀个⽬标⽂件都有依赖，如多个程序中都调⽤了printf()函数，则这多个程序中都含有printf.o，所以同⼀个⽬标⽂件都在内存存在多个副本；

更新⽐较困难：因为每当库函数的代码修改了，这个时候就需要重新进⾏编译链接形成可执⾏程序。但是静态链接的优点就是，在可执⾏程序中已经具备了所有执⾏程序所需要的任何东西，在执⾏的时候运⾏速度快。

优点：

• 运行时无需依赖外部库，执行速度快。

缺点：

• 文件体积较大，多个程序共享库文件时会浪费存储空间。
  更新库代码后，需要重新编译所有相关程序。
  静态库文件后缀： .a（Linux）或 .lib（Windows）。

动态链接

定义： 在运行时将库文件链接到程序中，节省存储空间和系统资源。
优点：

• 程序体积小，节省内存。
  更新库文件后，无需重新编译相关程序。

缺点：

• 运行时需要依赖动态库，若缺失动态库则程序无法运行。

动态库文件后缀： .so（Linux）或 .dll（Windows）。

查看动态链接的库：

ldd hello
输出：
linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fffeb1ab000)
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007ff776af5000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff776ec3000)

静态与动态链接示例
生成静态链接文件：

gcc -static hello.o -o hello

可执行文件中包含所有依赖的库代码，运行时无需依赖外部动态库。
生成动态链接文件：

gcc hello.o -o hello

默认情况下，GCC 使用动态链接，文件体积较小，运行时依赖动态库。

在这⾥涉及到⼀个重要的概念: 库
• 我们的C程序中，并没有定义“printf”的函数实现,且在预编译中包含的“stdio.h”中也只有该函数的声明,⽽没有定义函数的实现,那么,是在哪⾥实“printf”函数的呢?
• 最后的答案是:系统把这些函数实现都被做到名为 libc.so.6 的库⽂件中去了,在没有特别指定时,gcc 会到系统默认的搜索路径“/usr/lib”下进⾏查找,也就是链接到 libc.so.6 库函数中去,这样就能实现函数“printf”了,⽽这也就是链接的作⽤

静态库和动态库

静态库是指编译链接时,把库⽂件的代码全部加⼊到可执⾏⽂件中,因此⽣成的⽂件⽐较⼤,但在运⾏时也就不再需要库⽂件了。其后缀名⼀般为“.a”
• 动态库与之相反,在编译链接时并没有把库⽂件的代码加⼊到可执⾏⽂件中,⽽是在程序执⾏时由运⾏时链接⽂件加载库,这样可以节省系统的开销。动态库⼀般后缀名为“.so”,如前⾯所述的libc.so.6 就是动态库。gcc 在编译时默认使⽤动态库。完成了链接之后,gcc 就可以⽣成可执⾏⽂件,如下所⽰。 gcc hello.o –o hello
• gcc默认⽣成的⼆进制程序，是动态链接的，这点可以通过 file 命令验证。

• Linux下，动态库XXX.so, 静态库XXX.a
• Windows下，动态库XXX.dll, 静态库XXX.lib

GCC 常用选项

GCC 提供了丰富的编译选项，帮助开发者灵活地控制编译过程。以下是一些常用选项的介绍：

1. 基本编译选项
   -E：仅执行预处理。
   -S：执行编译，生成汇编代码，不进行汇编。
   -c：执行汇编，生成目标代码，不进行链接。
   -o ：指定输出文件名称。
2. 链接相关选项
   -static：生成静态链接的可执行文件。
   -shared：生成动态库文件（.so）。
   默认情况下，GCC 使用动态链接。
3. 优化相关选项
   -O0：不进行优化（默认）。
   -O1：进行基本优化。
   -O2：进行更高级别的优化，权衡运行效率和编译时间。
   -O3：最高优化级别，开启所有优化选项。
4. 调试相关选项
   -g：生成调试信息，供调试器（如 gdb）使用。
   -w：不生成任何警告信息。
   -Wall：生成所有警告信息，建议开发时开启。

关于编译器的周边

条件编译的应用场景

什么是条件编译？
条件编译是通过宏定义或者预处理指令，控制代码的某些部分在编译时是否被包括进编译过程的功能。它通过预处理指令（如 #ifdef、#ifndef、#if）实现。

应用场景：
多平台兼容
条件编译可以根据操作系统或者硬件平台生成不同的代码。

#ifdef _WIN32
printf("Running on Windows\n");
#else
printf("Running on Linux\n");
#endif

这段代码会根据操作系统定义，选择性地编译不同的部分，从而实现跨平台兼容。

调试与发布
在开发和调试阶段，通常需要输出大量的日志信息，但在发布版本中不希望这些日志被编译进去。条件编译可以帮助实现这一需求。

#define DEBUG
#ifdef DEBUG
printf("Debugging...\n");
#endif

如果 DEBUG 宏被定义，则会输出调试信息；否则，这段代码不会被编译。
还有节约资源、功能模块化、版本控制等场景！

为什么非得把语言变成汇编

编译器的职责
编译器的职责是将高级语言（如 C/C++）编写的程序，转换为计算机可以理解并执行的低级语言（机器代码）。在这个过程中，汇编语言作为一个中间步骤，是不可或缺的。

原因详解
硬件直接执行机器代码
计算机硬件只能理解机器码（由 0 和 1 组成的二进制指令）。因此，无论程序用哪种高级语言编写，最终都必须被转换为机器码。

汇编语言是机器码的可读形式
汇编语言是一种人类可读的机器码表示形式，它将二进制指令映射为助记符（如 MOV、ADD）。将高级语言转化为汇编语言，可以更容易地检查、优化和调试程序。

编译器优化的便利性
编译器将高级语言代码转化为汇编语言，可以应用一系列优化技术（如寄存器分配、指令重排序等），以生成高效的机器码。

多平台适配性
汇编语言是与具体硬件架构相关的。如果编译器直接生成机器码，可能难以适配不同的平台。生成汇编语言后，可以通过调用汇编器生成适合目标平台的机器码。

调试和错误检查
转换为汇编语言后，开发者可以通过反汇编工具查看生成的汇编代码，从而更容易找到性能瓶颈或逻辑错误。

历史原因
早期的计算机直接通过汇编语言编程，高级语言的编译器是后来发展的。为了保持兼容性和硬件操作的透明性，汇编语言仍然是现代编译器中一个重要的中间步骤。

总结 将语言转化为汇编的步骤是编译器中一个关键的阶段，它在硬件和高级语言之间建立了一座桥梁，使程序既能保持可读性，又能高效运行。

编译器自举（Compiler Bootstrap）

什么是编译器自举？
编译器自举是指使用一个已有的简单版本编译器，来开发并编译更加复杂或功能完整的编译器。这种过程通常用于构建编译器自身。

为什么需要自举？
解决编译器的“鸡与蛋”问题
编译器需要用某种语言实现。如果用目标语言本身实现编译器，如何运行该编译器？自举解决了这一问题。

验证编译器的正确性
如果一个编译器能够成功地编译自身并运行生成的版本，说明这个编译器的实现是可靠的。

便于跨平台移植
一个简单的自举编译器可以快速移植到新平台上，然后用它生成完整版本的编译器。

以 C 编译器为例：
第一阶段：
用汇编语言实现一个简单的 C 编译器（只支持部分语法）。
第二阶段：
用第一阶段的编译器编写一个功能更完善的 C 编译器。
第三阶段：
用第二阶段的编译器编译自身，生成最终的完整编译器。