Linux工具学习之【gcc/g++】

📘前言

书接上文，我们已经学习了 Linux 中的编辑器 vim 的相关使用方法，现在已经能直接在 Linux 中编写C/C++代码，有了代码之后就要尝试去编译并运行它，此时就可以学习一下 Linux 中的编译器 gcc/g++ 了，我们一般使用 gcc 编译C语言，g++ 编译C++（当然 g++ 也可编译C语言），这两个编译器我们可以当作一个来学习，因为它们的命令选项都是通用的，只是编译对象不同。除了编译器相关介绍外，本文还会库、自动化构建工具、提权等知识，一起来看看吧

📘正文
📖gcc/g++ 命令

在接下来的学习中，我们以 gcc 为例，因为两者选项都是通用的，所以也就相当于间接学习了 g++ ，这个编译器上手还是很简单的，选项也不是很多

注意：如果命令失效，很有可能是没有下载 gcc/g++ ，需要自行下载安装 gcc 与 g++

📃-o 目标文件

gcc 源文件默认会将代码编译链接并生成可执行文件 a.out ，当然前提是代码没问题，所以这样看来编译一个文件还是很简单的

$ gcc 源文件	//直接编译源文件，生成默认可执行文件为 a.out

可能有的人不想让它生成默认的 a.out ，想生成为指定文件，没有问题，直接通过 -o 选项就能实现
注意：-o 选项后面必须紧跟生成的目标文件，这个选项可以放在源文件后面，也可以放在前面

$ gcc test.c -o OK	//编译生成文件为 OK
$ gcc -o OK test.c	//这种写法也是可以的

在我们使用 gcc/g++ 时，都可以通过 -o 选项生成指定文件

📃-E 预处理

在C语言学习阶段，我们学习了源文件变成可执行文件的过程，即预处理-编译-汇编-链接，当时因为没有学习Linux，没法很好的展示各个环节的现象，今天可以来详细看看

首先是第一步：预处理，又称预编译

会进行头文件展开、删除注释、替换宏、执行条件编译等操作
目的是生成一个纯粹的C代码程序
经过预处理后的文件后缀为 .i
我们可以直接通过 gcc 中的 -E 命令，使编译器在执行完预处理后停下来，配合 -o 生成指定文件，这样我们就可以观察到上面所提到的这些现象了。

$ gcc -E test.c -o test.i	//预处理后的文件后缀为 .i 此时仍然是C语言

📃-S 编译

下面进入第二个步骤：编译

进行语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总等，然后将合法的代码转为汇编代码
编译目的是生成汇编代码
编译后生成的文件后缀为 .s
编译阶段比较重要的一步就是符号汇总，它会各种符号汇总起来，方便后续符号表的形成，符号表用于各种函数间的相互调用

我们可以通过 -S 选项，使 gcc 在执行完编译阶段后就停下来，配合 -o 生成文件 test.s

$ gcc -S test.c -o test.s	//可以直接从 test.c 开始执行，也可以从上一步中的 test.i 执行

📃-c 汇编

接下来进入第三步：汇编

主要任务是将汇编代码转为二进制，并生成符号表
二进制文件的格式是 elf ，此时 vim 查看为乱码
生成的文件后缀为 .o
因为计算机只能看懂二进制，所以将代码转为二进制是必须进行的操作，除此之外，还有一个重要步骤：生成符号表

关于符号表

这个东西相当于函数独一无二的地址，在Linux 中，C语言的符号表比较简单，通常是 _函数名，比如 _Add ；C++更详细一些，通常为 _Z函数名长度+函数名+参数1+参数2 ，比如常见的 Add 函数，生成的符号表为 _Z3Addii ，这里的参数是两个整型，这也是C++支持重载，而C语言不支持重载的根本原因，毕竟C语言中两个重名的函数生成的符号表是完全一样的，区分不了
可以通过 -c 选项使 gcc 在执行完汇编阶段后就停下来，指定保存文件为 test.o

查看生成的 test.o 文件，可以用 readelf 这个工具，缺失的可以去下载

$ gcc -c test.c -o test.o	//从源文件重新开始编译，生成 test.o 二进制文件
$ gcc -c test.s -o test.o	//从上一步中生成的 test.s 文件开始编译，两者效果是一样的//关于查看 elf 格式的文件
$ readelf -a test.o	//可以通过软件，观察到符号表等信息

📃gcc 链接

下面是最后一步：链接

进行合并段表、将符号表进行合并和重定位等
将程序运行所需的各种函数链接起来，包括与库函数的链接，Linux 中一般是动态链接，链接后生成可执行文件，此时的文件也是 elf 的格式
gcc 默认生成的可执行文件为 a.out，我们可以指定生成任意文件

$ gcc test.c -o myfile	//生成可执行文件为 myfile
$ gcc test.o -o myfile	//继上一次生成的二进制文件执行链接，也是没有问题的

📃小结

关于各个命令选项可以巧记为 ESc 这是键盘上的一个键，忘记了可以看看
还有各个选项对应生成的文件后缀为 iso

📖库

1. 标准库的位置：

标准库头文件：标准库的头文件（如 stdio.h、string.h、stdlib.h 等）通常存放在 /usr/include 目录下。这些头文件提供了库函数的声明和宏定义，函数的具体实现都在库中了。它们是编写 C 程序时必须包含的文件。
标准库的实现：标准库的实际实现（即函数的定义和逻辑）并不在 /usr/include 目录下，而是通常存放在系统的库目录中，比如 /lib 或 /usr/lib。这些库可能是 静态库（以 .a 为扩展名）或 动态库（以 .so 为扩展名）

📃动态库

动态库 即通过动态链接的库，动态库又称 共享库，因为动态库中的内容是被所有程序共享的，简言之动态库中的代码只需要存在一份，程序需要使用时，直接通过对应位置调用就行了

Linux 中默认使用动态链接的方式，我们可以通过指令 ldd 最终生成的文件来查看最终生成文件的链接情况

$ ldd 最终生成的文件	//查看文件的链接情况

libXXX.so 是动态链接的标志

其中 lib 是前缀
.so 是后缀
去掉前缀与后缀，就是最终调用的库
举例：libc.so 去掉前缀与后缀，最终为 c ，可以看出文件最终调用的是C语言共享库，即动态链接

动态链接主要依赖不同函数在库中的位置信息进行调用，只有一份代码库，比较节省空间

我们还可以通过 file 命令查看文件详细信息

$ file 最终生成的文件	//查看文件的详细情况

📃静态库

除了动态库外，还有 静态库 ，采用 静态链接的方式；静态链接不同与动态链接共享的方式，如果程序调用静态库，会将自己所需要的代码拷贝至程序中，完成拷贝后，后续不需要再调用静态库

如果想采用静态链接链接的方式编译程序，需要在编译时加上 -static 选项，当然前提是得有静态库，没有的可以通过 yum install -y glibc-static 下载静态库

当然我们也可以通过 ldd 最终生成的文件查看是否为静态链接

$ yum install -y glibc-static	//下载静态库
$ gcc test.c -o myfile-static -static	//采取静态链接的方式编译程序
$ ldd 最终生成的文件	//查看文件的链接方式

动态库 vs 静态库的优缺点对比：

区别	动态库	静态库
调用方式	通过函数位置（动态链接）进行调用	直接将需要的函数拷贝至程序中（静态链接）
依赖性（运行时）	需要依赖于动态库文件，运行时必须能找到对应的 `.so` 文件	不依赖外部库，程序可以独立运行
空间占用	共享动态库中的代码，多个程序共享同一个库，节省空间	每个程序都包含库代码，导致文件较大
加载速度	调用时需要加载库并进行链接，加载速度慢	直接运行，程序中已经包含了库的代码，加载速度快
更新	更新库时，无需重新编译程序，方便管理和维护	更新库时需要重新编译程序，管理较为繁琐
版本兼容性	可能会遇到版本不兼容问题（“DLL Hell”）	一旦编译完成，不受库版本变化影响
内存占用	多个程序可以共享同一个库文件，节省内存	每个程序都占用一份内存空间

动态库的优点：

共享代码：动态库可以在多个程序之间共享，节省磁盘空间和内存。对于大型程序和多个程序共享同一个库的情况，动态库非常有用。
程序小巧：因为动态库不包含在每个可执行文件中，所以生成的程序文件较小。
更新简便：如果库的功能有更新，只需要替换库文件，无需重新编译所有依赖这个库的程序。这使得系统升级和维护更加方便。
内存共享：多个程序运行时，可以共享动态库中的代码和数据，节省内存。

动态库的缺点：

加载速度较慢：由于程序在运行时需要加载和链接动态库，调用速度相对较慢，特别是在频繁调用库函数的情况下。
运行时依赖性：程序需要在运行时找到并加载正确的动态库版本。如果缺少动态库或版本不兼容，程序可能无法正常运行（例如，缺少 .so 文件）。
版本问题：如果系统中多个程序依赖于同一个动态库，而库的版本发生变化时，可能会导致“版本不兼容”（DLL Hell）的问题。

静态库的优点：

独立性：静态库在编译时就已链接到可执行文件中，程序不依赖外部的库文件，减少了运行时的复杂性。
加载速度快：静态库的代码已经包含在程序中，程序启动时不需要额外加载库，加载速度较快。
无需担心版本问题：由于静态库在编译时就已经链接到程序，程序和库的版本不会再发生兼容性问题。

静态库的缺点：

空间占用大：每个程序都需要包含静态库的副本，因此生成的可执行文件较大，浪费存储空间。
更新麻烦：如果需要更新库，必须重新编译程序，这对于大型项目或多个依赖同一库的项目来说，管理和更新较为麻烦。
内存占用多：每个运行的程序都加载静态库的代码，占用更多内存，而动态库则可以被多个程序共享内存。

总结：

动态库适用于：
- 需要多个程序共享同一份代码库的场景，尤其是在内存和磁盘空间有限的情况下。
- 程序开发周期较长，库需要经常更新，且更新后不想重新编译所有依赖程序的情况。
- 对更新灵活性要求较高，且能够接受可能出现的加载速度和依赖问题。
静态库适用于：
- 对程序启动速度要求较高，且不依赖外部库的场景。
- 程序体积可以接受，且不需要频繁更新库的情况。
- 独立部署的应用程序，不想担心外部库的兼容性问题。