[C++知识库]GCC介绍

编译过程

编译系统(compilation system)：预处理器(pre-processor)、编译器(compiler)、汇编器(assembler)、链接器(linker)

预处理阶段：处理字符#开头的命令，即：1）将头文件的内容插入程序文本中。2）宏定义替换。3）条件编译(#if #ifdef)，不被编译的部分变为空行。4）删除注释

编译阶段：通过编译器将源程序翻译成汇编程序(assembly-language program)

汇编阶段：将汇编程序翻译成机器语言指令，并将其打包成可重定位目标程序(relocatable object program)

链接阶段：链接器将各个.o文件合并成可执行文件。链接器使得分离编译成为可能。在编写大型程序时，可将模块分小，由此达到独立修改和编译不同模块的目的：未被修改的模块不用重新编译，而只需将修改后的模块编译，重新链接即可。e.g. hello.c中的printf函数存在printf.o(已经单独预编译了的目标文件)中，链接器将其合并后得到可执行文件

GCC介绍

• GCC:GNU Compiler Collection(GNU 编译器集合)，它可以编译C、C++、JAV、Fortran、Pascal、Object-C等语言。

• gcc是GCC中的GUN C Compiler（C 编译器）

• g++是GCC中的GUN C++ Compiler（C++编译器）

早期 GCC 的全拼为 GNU C Compiler，即 GUN 计划诞生的 C 语言编译器，显然最初 GCC 的定位确实只用于编译 C 语言。但经过这些年不断的迭代，GCC 的功能得到了很大的扩展，它不仅可以用来编译 C 语言程序，还可以处理 C++、Go、Objective -C 等多种编译语言编写的程序。与此同时，由于之前的 GNU C Compiler 已经无法完美诠释 GCC 的含义，所以其英文全称被重新定义为 GNU Compiler Collection，即 GNU 编译器套件。

在已编辑好 C 语言或者 C++ 代码的前提下，如何才能调用 GCC 编译器为我们编译程序呢？很简单，GCC 编译器已经为我们提供了调用它的接口，对于 C 语言或者 C++ 程序，可以通过执行 gcc 或者 g++ 指令来调用 GCC 编译器。

无论是 gcc 还是 g++, 他们的定位都是 driver.

driver 负责调用编译器(狭义), 把源码编译到汇编代码. 比如 C 语言的编译器(狭义)是 cc1, 而 C++ 语言的编译器(狭义)是 cc1plus。driver 再调用 as, 把汇编代码变成二进制代码. 最后调用 ld, 负责把二进制代码拼在一起.

gcc 和 g++ 的区别无非就是调用的编译器不同, 并且传递给链接器的参数不同.

具体而言：

g++：

• g++ 会把 .c 文件当做是 C++ 语言 (在 .c 文件前后分别加上 -xc++ 和 -xnone, 强行变成 C++), 从而调用 cc1plus 进行编译.

• g++ 遇到 .cpp 文件也会当做是 C++, 调用 cc1plus 进行编译.

• g++ 还会默认告诉链接器, 让它链接上 C++ 标准库.

gcc：

• gcc 会把 .c 文件当做是 C 语言. 从而调用 cc1 进行编译.

• gcc 遇到 .cpp 文件, 会处理成 C++ 语言. 调用 cc1plus 进行编译.

• gcc 默认不会链接上 C++ 标准库.

只要是 GCC 支持编译的程序代码，都可以使用 gcc 命令完成编译。可以这样理解，gcc 是 GCC 编译器的通用编译指令，因为根据程序文件的后缀名，gcc 指令可以自行判断出当前程序所用编程语言的类别

但如果使用 g++ 指令，则无论目标文件的后缀名是什么，该指令都一律按照编译 C++ 代码的方式编译该文件。也就是说，对于 .c 文件来说，gcc 指令以 C 语言代码对待，而 g++ 指令会以 C++ 代码对待。但对于 .cpp 文件来说，gcc 和 g++ 都会以 C++ 代码的方式编译。

值得注意的是，Apple公司曾经一直使用GCC作为官方的编译器。 但是由于GCC开发社区对Apple所提的需求，给予的优先级始终不高，甚至很多Apple的重要需求基本不做考虑。 于是，财大气粗的Apple一怒之下，决定放弃GCC，基于LLVM重新开发了编译工具Clang，支持 C、C++、Objective-C等语言。 因此，目前macOS上自带的默认gcc命令，实际上调用的是clang。 希望在macOS上使用GCC，需要自行安装

gcc所遵循的部分约定规则

.c为后缀的文件，C语言源代码文件；

.a为后缀的文件，是由目标文件构成的档案库文件；
.C或.cc或.cxx为后缀的文件，是C++源代码文件；

.h为后缀的文件，是程序所包含的头文件；

.i为后缀的文件，是已经预处理过的C源代码文件；

.ii为后缀的文件，是已经预处理过的C++源代码文件；

.m为后缀的文件，是Objective-C源代码文件；

.o为后缀的文件，是编译后的目标文件；

.s为后缀的文件，是汇编语言源代码文件；

.S为后缀的文件，是经过预编译的汇编语言源代码文件。

gcc编译优化参数

gcc提供了4级优化参数，分别是-O0、-O1、-O2、-O3。 一般来说，数字越大，所包含的编译优化策略就越多。

• -O0参数表示不使用任何优化策略，是gcc默认的优化参数。 因为没有使用任何优化策略，编译得到的机器码与程序源码高度对应，两者之间基本可以建立一一对应的关系。所以，-O0优化非常适合用于程序调试，并且通常和生成调试信息的参数-g（generate debug information）配合使用。-g参数会在编译时给生成的二进制文件附加一些用于代码调试的信息，比如符号表和程序源码。
• -O1会尽量采用一些不影响编译速度的优化策略，降低生成的二进制文件的大小，以及提高程序执行的速度。
• -O2使用-O1中的所有优化策划，还会采用一些会降低编译速度的优化策略，以提高程序的执行速度。

gcc编译流程

此部分来源于这篇文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/342151242

使用gcc编译C/C++程序时，主要的编译流程如下，包含预处理、编译、汇编、链接等四个步骤。 以输入C语言程序源码文件b.c为例，直接调用命令gcc b.c，将会完整执行以下流程，并生成对应的可执行的二进制文件a.out。 注意，这里gcc的默认输出就是固定的a.out（通过使用参数-o（output），可以指定输出文件的名称。 例如gcc b.c -o b.bin，将生成可执行文件b.bin，而不是默认的a.out）。 在GCC工具链中，汇编由工具as完成，链接则由工具ld完成。

      -E          -S          -c          
b.c ------> b.i ------> b.s ------> b.o ------> a.out
      gcc         gcc         as          ld

对gcc使用以下指令，将会使其编译流程停止在对应位置：

• -E，（prEprocessing），执行到预处理步骤之后，即处理C/C++源码中#开头的指令，包括宏展开以及#include头文件引入等等。 该指令默认不输出文件，可以使用-o指令输出约定后缀为*.i的文件。
• -S，（aSsembly），（？这一步是将预处理后的代码编译成汇编代码，为什么不叫compilation？）执行到编译步骤之后，生成汇编文件，但不生成二进制机器码。 该指令默认的输出文件后缀为*.s。
• -c，（compilation），（？这一步为什么不叫assembly？）执行到汇编步骤之后，调用工具as，从汇编码生成二进制机器码，但不进行链接。 该指令默认的输出文件后缀为*.o（object）。
• 不带以上参数调用gcc将会完整执行以上流程，即执行到到链接（linking）步骤之后。 链接步骤实际上调用链接工具ld来执行，会将源码生成的二进制文件，库文件，以及程序的启动部分进行组合，从而形成一个完整的二进制可执行文件。

一般来说，无论是C、C++、还是pas，首先要把源文件编译成中间代码文件，在Windows下也就是 .obj 文件，UNIX下是 .o 文件，即 Object File，这个动作叫做编译（compile）。然后再把大量的Object File合成执行文件，这个动作叫作链接（link）。

编译时，编译器需要的是语法的正确，函数与变量的声明的正确。对于后者，通常是你需要告诉编译器头文件的所在位置（头文件中应该只是声明，而定义应该放在C/C++文件中），只要所有的语法正确，编译器就可以编译出中间目标文件。一般来说，每个源文件都应该对应于一个中间目标文件（O文件或是OBJ文件）。

链接时，主要是链接函数和全局变量，所以，我们可以使用这些中间目标文件（O文件或是OBJ文件）来链接我们的应用程序。链接器并不管函数所在的源文件，只管函数的中间目标文件（Object File），在大多数时候，由于源文件太多，编译生成的中间目标文件太多，而在链接时需要明显地指出中间目标文件名，这对于编译很不方便，所以，我们要给中间目标文件打个包，在Windows下这种包叫“库文件”（Library File)，也就是 .lib 文件，在UNIX下，是Archive File，也就是 .a 文件。

Makefile

makefile关系到了整个工程的编译规则，一个工程中的源文件不计数，其按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，我们不可能用gcc命令对每所有文件一个个进行编译，这就必须要编写一个名为Makefile的文件来告诉make如何编译和链接程序，所以Makefile就相当于是一个工程文件的编译规则，它描述了工程中文件之间的关系并提供用于更新每个文件的命令。它规定了工程中哪些文件需要编译，哪些文件不需要编译，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，那些文件需要重建等等。编译整个工程需要涉及到的，在 Makefile 中都可以进行描述。换句话说Makefile 可以使得我们的项目工程的编译变得自动化，不需要每次都手动输入一堆源文件和参数。

makefile带来的好处就是——“自动化编译”，一旦写好，只需要一个make命令，整个工程完全自动编译，极大的提高了软件开发的效率。make是一个命令工具，是一个解释makefile中指令的命令工具

在工程中，可执行文件是从目标文件更新的，而目标文件又是通过编译源文件制成的。一旦存在合适的Makefile，则每次更改一些源文件时，都会使用make来执行所有必要的重新编译。

make相关命令：

• make：根据Makefile文件编译源代码、连接、生成目标文件、可执行文件。

• make clean：清除上次的make命令所产生的object文件（后缀为“.o”的文件）及可执行文件。

• make install：将编译成功的可执行文件安装到系统目录中，一般为/usr/local/bin目录。

• make dist：产生发布软件包文件（即distribution package）。这个命令将会将可执行文件及相关文件打包成一个tar.gz压缩的文件用来作为发布软件的软件包。它会在当前目录下生成一个名字类似“PACKAGE-VERSION.tar.gz”的文件。PACKAGE和VERSION，是我们在configure.in中定义的AM_INIT_AUTOMAKE(PACKAGE, VERSION)。