【Linux】深度解析与实战应用：GCC/G++编译器入门指南

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文章目录

1. gcc/g++简介
2. gcc/g++的基本使用
3. 函数库
4. 调试
5. 总结

1. gcc/g++简介

在Linux系统中，GCC（GNU Compiler Collection）是极其重要且广泛使用的编译器，它支持多种编程语言，包括C、C++、Objective-C、Java、Fortran等。GCC以其高效、灵活和跨平台的特点赢得了开发者的青睐。本文将详细介绍GCC中的C编译器gcc和C++编译器g++的基本使用方法和编译过程。

GCC（GNU Compiler Collection）是一个由GNU项目开发的编译器套件，原名GNU C Compiler，但随着发展，它已支持多种编程语言的编译。GCC最初只能编译C语言，但现在的GCC通过不同的前端模块支持多种语言。GCC支持多种硬件平台，并且具备跨平台交叉编译的能力。

在Linux系统中，gcc和g++是GCC套件中用于编译C和C++程序的工具。gcc专门用于C语言程序的编译，而g++则专注于C++程序的编译。虽然两者在编译C程序时可能表现相似，但在处理C++程序时，g++会链接C++的标准库，而gcc默认链接C的标准库。

2. gcc/g++的基本使用

gcc和g++的基本使用格式如下：

gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]  
g++ [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]

我们可以通过下面的指令来判断是否已经安装gcc/g++：

gcc --version  
g++ --version

如果没有安装，大家可以先搜索安装gcc/g++对应的指令进行安装，因为不同的Linux发行版本安装指令或多或少有些差异，所以这里就不过多介绍。

gcc和g++的一些常用的选项包括：

-E：仅进行预处理，不进行编译和汇编。
-S：生成汇编代码，但不进行汇编和链接。
-c：生成目标代码（.o文件），但不进行链接。
-o：指定输出的文件名。
-static：使用静态链接生成可执行文件。
-g：生成调试信息，供GDB等调试器使用。

首先对于一个C或C++程序从源代码到可执行文件的编译过程通常包括四个步骤：预处理、编译、汇编和链接。

✨【预处理(进行宏替换)】：
预处理功能主要包括宏定义,文件包含（#include）、条件编译（如#ifdef、#ifndef、#endif）以及删除注释等。

实例：

gcc -E hello.c -o hello.i

这条命令会生成一个预处理后的文件hello.i，其中包含了所有宏展开和文件包含的结果；
hello.c 是要预处理的文件；
选项“-E”,该选项的作用是让 gcc在预处理结束后停止编译过程；
选项“-o”指向目标文件hello.i；
hello.i文件为已经预处理的C原始程序也就是目标文件。

✨【编译（生成汇编）】：
在这个阶段中,gcc 首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等,以确定代码的实际要做的工作,在检查无误后,gcc 把代码翻译成汇编语言。

实例:

gcc -S hello.i -o hello.s

这条命令会生成一个汇编文件hello.s;
hello.i 是要编译的文件；
选项“-S”,该选项的作用是让 gcc在预处理、编译后停止进行汇编，生成汇编代码
选项“-o”指向目标文件hello.s；
hello.s文件为已经编译后的目标文件。

✨【汇编（生成机器可识别代码）】：
汇编阶段将汇编代码转换成机器可以直接识别的二进制代码（目标代码）。也就是把编译阶段生成的“.s”文件转成为“.o”的二进制目标代码。

实例:

 gcc -c hello.s -o hello.o

这条命令会生成一个目标文件hello.o，它是二进制文件，但还不能直接执行；
hello.s 是要汇编的文件；
选项“-o”,该选项的作用是让 gcc在预处理、编译、汇编后停止进行链接，生成二进制目标代码；
选项“-o”指向目标文件hello.o；
hello.o文件为已经汇编后的目标文件。

✨【链接（生成可执行文件或库文件）】：
在成功编译之后,就进入了链接阶段。链接阶段将目标代码与程序所需的库（如C标准库libc.so.6）合并，生成最终的可执行文件。

实例:

gcc hello.o -o hello

这条命令将hello.o与必要的库链接，生成可执行文件hello。
hello.o 是要链接的文件；
选项“-o”指向目标文件hello；
hello文件为已经链接后的目标文件。

通常情况下我们都是直接使用gcc hello.c -o hello命令来将.c源文件直接一次性生成最终的可执行文件。

3. 函数库

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?
这是因为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。

在编译过程中，程序可能会调用标准库或其他第三方库中的函数。这些函数的具体实现在库中，而编译时生成的目标文件仅包含对这些函数的引用。链接器（Linker）负责将这些引用与库中的实际实现关联起来。

库分为静态库和动态库两种：

静态库在编译时将库代码直接复制到可执行文件中，因此生成的可执行文件较大，但运行时不再需要库文件，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,由操作系统动态加载。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。

4. 调试

在Linux操作系统的软件开发中，调试是一个至关重要的环节。它帮助开发者定位和解决程序中的错误、优化代码性能以及深入理解程序的运行过程。Linux提供了GDB（GNU Debugger）作为强大的调试工具，可以帮助开发者在程序运行时查找和修复错误。

GDB是GNU项目的一部分，是一款功能强大的程序调试工具，支持多种编程语言，包括C、C++、Ada等。它允许开发者在程序运行时暂停执行、检查程序的状态（如变量值、寄存器状态、内存内容等）、单步执行代码以及修改程序中的数据，从而帮助开发者定位问题所在。

在Linux环境下，使用GCC（GNU Compiler Collection）或G++（GCC的C++编译器）编译程序时，可以选择不同的编译模式来优化程序或保留调试信息。这些模式主要包括debug模式和release模式。

Release模式

在Release模式下，编译器会进行各种优化，以减少程序的大小、提高运行速度和效率。这些优化可能包括代码重排、循环展开、内联函数等。在Release模式下编译的程序通常不包含调试信息，因此程序体积更小，运行更快，但更难进行调试。

Debug模式

Debug模式则相反，它主要是为了调试程序而设计的。在Debug模式下，编译器会生成包含大量调试信息的二进制文件，这些调试信息包括源代码的行号、变量名、函数名等，这些信息对于使用调试器（如GDB）来跟踪程序执行、检查变量值、设置断点等非常有用。

GCC/G++的-g选项

-g选项是GCC/G++编译器的一个非常关键的选项，它告诉编译器生成调试信息。默认情况下（即不指定-g选项时），GCC/G++会以类似于Release模式的方式编译程序，即进行优化但不包含调试信息。如果你想要使用GDB等调试工具来调试你的程序，你需要在编译时加上-g选项。这样，GCC/G++就会生成包含调试信息的二进制文件。例如：