GCC编译器编译C/C++程序（一步完成、分步完成）

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参考内容

（1）GCC 预处理器选项_dllbl的博客-CSDN博客

（2）Preprocessor Options (Using the GNU Compiler Collection (GCC))

一、编译的流程

编译C/C++ 程序，是指将C/C++源代码转变为可执行程序。

这需要经历4个过程：预处理（Preprocessing）、编译（Compilation）、汇编（Assembly）、链接（Linking）。

二、一步完成编译

1、一步完成编译的方法

GCC 编译器并未提供给用户可用鼠标点击的界面窗口，要想调用 GCC 编译器编译 C 或者 C++ 程序，只能通过执行相应的 gcc 或者 g++ 指令。使用 GCC 编译器编译 C 或者 C++ 程序，也必须要经历上述的 4 个过程。但考虑在实际使用中，用户可能并不关心程序的执行结果，只想快速得到最终的可执行程序，因此 gcc 和 g++ 都对此需求做了支持。

如下所示，运行C文件demo.c与C++文件demo.cpp的一步完成编译的指令，GCC 编译器就会在当前目录下生成对应的可执行文件，该文件的名称为 a.out，或者使用-o 选项指定要生成的文件名。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ gcc demo.c
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ demo.cpp  #或者 gcc -xc++ -lstdc++ -shared-libgcc demo.cpp

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ gcc demo.c -o demo.exe
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ demo.cpp -o democpp.exe # 或者 gcc -xc++ -lstdc++ -shared-libgcc demo.cpp -o democpp.exe

虽然仅有一条指令，但依然按照预处理、编译、汇编、链接的过程将 C 、C++ 程序转变为可执行程序的。

2、如何保留中间文件

那些本应在预处理阶段、编译阶段、汇编阶段生成的中间文件，上述执行方式默认是不会生成的，只会生成最终的 a.out 可执行文件，除非为 gcc 或者 g++ 额外添加 -save-temps 选项。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.c
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ gcc demo.c
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
a.out  demo.c 
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ gcc demo.c -save-temps
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
a.out  demo.c  demo.i  demo.o  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ 

三、分步编译程序

表1列出了实际使用 gcc 或者 g++ 指令编译 C/C++ 程序时，常用的一些指令选项。 

表 1 GCC常用的编译选项

gcc/g++指令选项	功 能
-E	预处理指定的源文件，不进行编译。
-S	编译指定的源文件，不进行汇编。
-c	编译、汇编指定的源文件，不进行链接。
-o	指定生成文件的文件名。
-llibrary 或 -I library	其中 library 表示要搜索的库文件的名称。该选项用于手动指定链接环节中程序可以调用的库文件。建议 -l 和库文件名之间不使用空格，比如 -lstdc++。
-L/pathname	该选项用于为GCC添加另一个搜索链接库的目录，其中pathname是链接库的路径。
-ansi	对于 C 语言程序来说，其等价于 -std=c90；对于 C++ 程序来说，其等价于 -std=c++98。
-std=	手动指令编程语言所遵循的标准，例如 c89、c90、c++98、c++11 等。

下面将以某个demo.cpp 源文件来说明如何分步编译一个C++程序。

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1、预处理

（1）通过给 g++ 指令添加 -E 选项，可实现令 GCC 编译器只对目标源程序进行预处理操作。

（2）预处理，其实就是对各种预处理命令进行处理，包括头文件的包含、宏定义的扩展、条件编译的选择、去掉空行与注释等等。

• 将所有的#define删除，并展开所有的宏定义。
• 处理所有条件编译命令，比如 #if、#ifdef、#elif、#else、#endif 等。
• 处理#include命令，将被包含文件的内容插入到该命令所在的位置，这与复制粘贴的效果一样。注意，这个过程是递归进行的，也就是说被包含的文件可能还会包含其他的文件。
• 删除所有的注释//和/* ... */。
• 添加行号和文件名标识，便于在调试和出错时给出具体的代码位置。
• 保留所有的#pragma命令，因为编译器需要使用它们。

Linux系统中，通常用 ".i" 或者 ".ii" 作为 C++ 程序预处理后所得文件的后缀名。当你无法判断宏定义是否正确，或者文件包含是否有效时，可以查看.i文件来确定问题。

（3）默认情况下 g++ -E 指令只会将预处理操作的结果输出到屏幕上，并不会自动保存到某个文件。因此该指令往往会和 -o 选项连用，将结果导入到指令的文件中，如下所示。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.cpp
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ -E demo.cpp -o demo.i
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.cpp  demo.i
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ 

（4）使用“g++ -E ”表示只进行预处理操作，在此基础上我们还可以加上其他参数选项。相关介绍见参考内容（1）（2）。

选项	功能
-C（大写字母）	阻止GCC删除源文件和头文件中的注释
-include file	如同在源代码中添加 #include "file" 一样。
……	……
-dM	告诉预处理器输出有效的宏定义列表 ( 预处理结束时仍然有效的宏定义 )

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2、编译

（1）通过给 g++ 指令添加 -S 选项，即可令 GCC 编译器仅对指定预处理文件做编译操作。

（2）编译，其实就是将预处理得到的程序代码，经过一系列的词法分析、语法分析、语义分析以及优化，生成为当前机器支持的汇编代码文件（Linux 发行版通常以 ".s" 作为其后缀名）。

（3）即便没有 -o 选项，编译结果也会输出到和预处理文件同名（后缀名改为 .s）的新建文件中。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ -S demo.i 
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.cpp  demo.i  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ 

（4）使用“g++ -S”时，-S 选项只是表明让 GCC 编译器将指定文件处理至编译阶段结束，操作的文件不一定是经过预处理后得到的 .i 文件，也可以是源代码文件。如果操作对象为 .i 文件，则 GCC 编译器只需编译此文件；如果操作对象为 .c 或者 .cpp 源代码文件，则 GCC 编译器会对其进行预处理和编译这 2 步操作。

（5）在“g++ -S”基础上，如果想提高文件内汇编代码的可读性，可以借助 -fverbose-asm 选项，GCC 编译器会自行为汇编代码添加必要的注释，

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ -S -fverbose-asm demo.i
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.cpp  demo.i  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ 

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3、汇编

（1）通过给 g++ 指令添加 -c 选项，即可令 GCC 编译器仅对指定的汇编代码文件做汇编操作。

（2）汇编阶段就是将之前生成的汇编代码文件（demo.s）做进一步转换，生成对应的机器指令。大部分汇编语句对应一条机器指令，有的汇编语句对应多条机器指令。相对于编译操作，汇编过程会简单很多，它并没有复杂的语法，也没有语义，也不需要做指令优化，只需要根据汇编语句和机器指令的对照表一一翻译即可。

（3）默认情况下汇编操作会自动生成一个和汇编代码文件名称相同、后缀名为 .o 的二进制文件（又称为目标文件）。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ -c demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
demo.cpp  demo.i  demo.o  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$

（4）和 g++ -S 类似，g++ -c 选项并非只能用于加工 .s 文件。事实上，-c 选项只是令 GCC 编译器将指定文件加工至汇编阶段，但不执行链接操作。这也就意味着：

• 如果指定文件为源程序文件（例如 demo.cpp），则 g++ -c 指令会对 demo.cpp 文件执行预处理、编译以及汇编这 3 步操作；
• 如果指定文件为刚刚经过预处理后的文件（例如 demo.i），则 g++ -c 指令对 demo.i 文件执行编译和汇编这 2 步操作；
• 如果指定文件为刚刚经过编译后的文件（例如 demo.s），则 g++ -c 指令只对 demo.s 文件执行汇编这 1 步操作。
• 如果指定文件已经经过汇编，或者 GCC 编译器无法识别，则 g++ -c 指令不做任何操作。

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4、链接

（1）目标文件已经是二进制文件，与可执行文件的组织形式类似，只是有些函数和全局变量的地址还未找到，因此还无法执行。链接器的作用就是找到这些目标地址，将所有的目标文件组织成一个可以执行的二进制文件。它必须把符号（变量名、函数名等一些列标识符）用对应的数据的内存地址（变量地址、函数地址等）替代，以完成程序中多个模块的外部引用。

（2）另外，链接器也必须将程序中所用到的所有C标准库函数加入其中。对于链接器而言，链接库不过是一个具有许多目标文件的集合，它们在一个文件中以方便处理。

标准库的大部分函数通常放在文件 libc.a 中（文件名后缀.a代表“achieve”，译为“获取”），或者放在用于共享的动态链接文件 libc.so 中（文件名后缀.so代表“share object”，译为“共享对象”）。这些链接库一般位于 /lib/ 或 /usr/lib/，或者位于 GCC 默认搜索的其他目录。 当使用 GCC 编译和链接程序时，GCC 默认会链接 libc.a 或者 libc.so，但是对于其他的库（例如非标准库、第三方库等），就需要手动添加。

（3）如何实现链接操作？

只要将汇编阶段得到的 demo.o 作为参数传递给g++，g++ 会根据所给文件的后缀名 .o，自行判断出此类文件为目标文件，仅需要进行链接操作，g++就会在其基础上完成链接操作（GCC默认会链接 libc.a 或者 libc.so，但是对于其他的库，例如非标准库、第三方库等，就需要手动添加）。

如果不使用 -o 选项将执行结果输出到指定文件，则默认创建一个名为 a.out 的可执行文件，并将执行结果输出到该文件中。

xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ demo.o
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
a.out  demo.cpp  demo.i  demo.o  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ g++ demo.o -o demo.exe
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$ ls
a.out  demo.cpp  demo.exe  demo.i  demo.o  demo.s
xjh@ubuntu:~/iot/tmp$