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一个c程序的编译全过程

一葉_code 2022-04-01 阅读 81
c++c语言
加载失败

gcc命令行观察c程序的编译过程

文章目录

gcc命令

将要遭遇的概念

GCC:(GNU Compiler Collection)GNU编译器集合

gcc和g++都属于"编译器驱动程序"(driver),实际上编译器是cc1(C语言),cc1plus(C++语言)

GAS:GNU汇编器（GNU Assembler），简称为GAS.使用gcc命令时汇编器(as)和链接器(ld)都是GAS提供的

gcc和g++的区别

包括但是不止下面两条

gcc对于.c文件调用cc1编译器,对于.cpp文件调用cc1plus编译器

g++不管是.c和.cpp都会调用cc1plus编译器

在链接时gcc不会传递给链接器链接C++标准库的命令但是g++会

#include <vector>
using namespace std;
int main(){
        vector<int>v;//此处需要使用STL中的vector
        return 0;
}

比如这样一个test.cpp文件

使用gcc命令编译则会报错:

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.cpp -o test.out
/usr/bin/ld: /tmp/ccfXp0Kz.o: in function `__gnu_cxx::new_allocator<int>::deallocate(int*, unsigned long)':
test.cpp:(.text._ZN9__gnu_cxx13new_allocatorIiE10deallocateEPim[_ZN9__gnu_cxx13new_allocatorIiE10deallocateEPim]+0x20): undefined reference to `operator delete(void*)'
/usr/bin/ld: /tmp/ccfXp0Kz.o:(.data.rel.local.DW.ref.__gxx_personality_v0[DW.ref.__gxx_personality_v0]+0x0): undefined reference to `__gxx_personality_v0'
collect2: error: ld returned 1 exit status

但是使用g++命令编译则不会报错

如果想让gcc命令编译时让链接器可以链接标准库可以使用命令行参数-lstdc++

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.cpp -o test.out -lstdc++

但是即使加上该参数,使用gcc和g++对于.cpp的编译还是有区别的.

啥区别我现在不知道,也不想知道

因此现阶段在编译.c源代码时就用gcc命令,编译.cpp源代码时就用g++命令

gcc命令行参数和.c到.exe的过程

image-20220401003811834

image-20220401003612021

image-20220331235005241

预编译-E

预编译命令只能作用于源代码文件(.c,.cpp)

gcc -E balabala.c

或者

cpp balabala.c

1.将所有include(包括库文件和自己写的文件)展开

2.替换所有的宏定义

比如

test.c

#include <stdio.h>
#define N 10
typedef int word;
int main(){
  int a=N;
  word b=N;
  return 0;
}

使用gcc test.c -E(使用cpp test.c作用相同)之后会将预编译内容打印到屏幕,但是不会生成.i文件

image-20220331222506965

(截图仅为一小部分)

观察到#define N 10消失,N被10替换

typedef起别名并不会被替换

使用-o命令行参数指定预编译生成文件

cpp test.c -o test.i

然后使用ls -sh -l名令以列表方式查看当前目录下文件大小

image-20220331224027046

可见.i文件明显比.c文件大

-I命令行参数指定自定义头文件

如果需要包含的头文件和就在当前目录下则自动包含,

比如当前目录(mydir/)下

有一个自定义头文件myheader.h里面只有一个变量a的定义

有一个test.c里面没有定义a直接拿来用

此时预编译是可以通过的

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 8
-rw-r--r-- 1 root root 10 3月  31 22:43 myheader.h
-rw-r--r-- 1 root root 51 3月  31 22:44 test.c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cpp test.c -o test.i
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cat test.i
# 1 "test.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "test.c"
# 1 "myheader.h" 1
int a=10;
# 2 "test.c" 2
int main(){
 a;
 return 0;
}

如果在其他目录则需要- I <directory>指定包含文件所在的目录

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 8
-rw-r--r-- 1 root root 10 3月  31 22:43 myheader.h
-rw-r--r-- 1 root root 51 3月  31 22:44 test.c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# mv myheader.h ..
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls
test.c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cpp test.c
# 1 "test.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "test.c"
test.c:1:10: fatal error: myheader.h: 没有那个文件或目录
    1 | #include "myheader.h"
      |          ^~~~~~~~~~~~
compilation terminated.

将原本与test.c同目录的myheader.h移动到上级目录(…)中,此时使用cpp命令则在当前目录下找不到myheader.h报错了

此时使用-I <directory>指定上级目录(…)为包含路径则预编译通过

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cpp test.c -I ..
# 1 "test.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "test.c"
# 1 "../myheader.h" 1
int a=10;
# 2 "test.c" 2
int main(){
 a;
 return 0;
}

编译(Compilation)-S

编译命令可以应用于前面所有类型的文件(.c,.i)

gcc -S balabala.c

作用是将源代码(或者说预编译之后的源代码)编译成汇编语言

将一个全空的c程序(一个字都没写的,这样写当然不对,但是是在后来的某一阶段报错)test.c编译成汇编语言,会在同一目录下生成test.s文件

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.c -S
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cat test.s
  .file "test.c"
  .text
  .ident      "GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0"
  .section    .note.GNU-stack,"",@progbits
  .section    .note.gnu.property,"a"
  .align 8
  .long  1f - 0f
  .long  4f - 1f
  .long  5
0:
  .string      "GNU"
1:
  .align 8
  .long  0xc0000002
  .long  3f - 2f
2:
  .long  0x3
3:
  .align 8
4:

关于汇编语言后来会学,但不是现在

汇编(Assembly)-c

gcc balabala.c -c

或

as balabala.c

汇编命令可以应用于前面过程中生成的所有文件(.c,.i,.s)

对于一个啥也没写的test.c文件,预编译,编译,汇编都是可以通过的

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# echo > test.c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 4
-rw-r--r-- 1 root root 1 3月  31 23:04 test.c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cat test.c

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cpp test.c -o test.i
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.i -S
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 12
-rw-r--r-- 1 root root   1 3月  31 23:04 test.c
-rw-r--r-- 1 root root 149 3月  31 23:04 test.i
-rw-r--r-- 1 root root 298 3月  31 23:04 test.s
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.s -c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 16
-rw-r--r-- 1 root root    1 3月  31 23:04 test.c
-rw-r--r-- 1 root root  149 3月  31 23:04 test.i
-rw-r--r-- 1 root root 1072 3月  31 23:06 test.o
-rw-r--r-- 1 root root  298 3月  31 23:04 test.s
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cat test.o
ELF>�@@
  GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0GNU���test.c.symtab.strtab.shstrtab.text.data.bss.comment.note.GNU-stack.note.gnu.property!@@,0@,5lEp�� PXX

到此为止,我们完成了下图中红框中的部分

image-20220401001520336

下面来到了链接阶段对应图中load time

链接(Linking)

ld负责将程序的目标文件与所需的所有附加的目标文件连接起来，最终生成可执行文件。

附加的目标文件包括静态连接库和动态连接库。

还是一个字也没写的test

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# gcc test.o -o test.out
/usr/bin/ld: /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o: in function `_start':
(.text+0x24): undefined reference to `main'
collect2: error: ld returned 1 exit status

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ld test.o
ld: 警告: 无法找到项目符号 _start; 缺省为 0000000000401000

在链接阶段终于报错了

报错原因是程序总要有一个main函数入口,一个空的test自然没有main函数

库

库就是现成的可以复用的"代码".

这里"代码"加了引号,因为库不是我们使用的高级语言代码,而是机器码

到此我们知道了多个文件是如何互相找到,在何时互相找到的,也就是链接要做的事情

下面为了更清楚地理解库的作用,我们需要亲自写几个库试试

然后我查阅了这个博客https://www.cnblogs.com/skynet/p/3372855.html

库有两种,一种是静态库,一种是动态库

静态库(.a,.lib)

静态库会在链接时与我们自己编译生成的.o文件一起链接打包到可执行文件,这种链接方式称为"静态链接"

静态库可以看作一组目标文件(.o)的集合

静态库对函数库的链接是在编译链接时期完成的

程序运行时与函数库已经没有关系,方便移植

浪费空间,不容易更新

动态库(.so.dll)

图片来自播客

image-20220401112348428

动态库的出现是为了解决两个问题

1.静态库占用空间,多个程序可能有相同的静态库

2.更新时,静态库即使静态库稍微改动一点,也需要全部重新编译(全量更新)

动态库相对这两点的特性

1.多个程序复用同一个库

2.增量更新,哪里更新就编译哪里

image-20220401112727292

这就要求动态库在运行时才会装载

静态库的使用

在/home/deutschball/mydir文件夹下写了三个文件

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 12
-rw-r--r-- 1 root root 156 4月   1 09:44 main.cpp
-rw-r--r-- 1 root root 985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root 872 4月   1 09:43 Point.h

point.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cmath>
using std::string;
using std::cout;
using std::ostream;
class Point {
	private:
		double x, y;
		string name;
	public:
		Point(const double &, const double &);
		Point(const Point &);
		Point();
		Point(const string &);
		Point(const string &, const double &, const double &);
		void setX(const double &);
		void setY(const double &);
		void setName(const string &);
		double getX()const;
		double getY()const;
		string getName()const;
		double getDistance(const Point &);
		friend ostream &operator<<(ostream &, const Point &);
};

point.cpp

#include "Point.h"

Point::Point(const double &x, const double &y) {
	name = "";
	this->x = x;
	this->y = y;
}

Point::Point(const Point &p) {
	this->name = p.name;
	this->x = p.x;
	this->y = p.y;
}

Point::Point() {
	name = "";
	x = y = 0;
}

Point::Point(const string &n) {
	name = n;
	x = y = 0;
}

Point::Point(const string &name, const double &x, const double &y) {
	this->name = name;
	this->x = x;
	this->y = y;
}

void Point::setX(const double &x) {
	this->x = x;
}

void Point::setY(const double &y) {
	this->y = y;
}

void Point::setName(const string &name) {
	this->name = name;
}

double Point:: getX()const {
	return x;
}

double Point:: getY()const {
	return y;
}

string Point:: getName()const {
	return name;
}

double Point::getDistance(const Point &p) {
	return sqrt((x - p.x) * (x - p.x) + (y - p.y) * (y - p.y));
}

ostream &operator<<(ostream &os, const Point &p) {
	os << p.name << "(" << p.x << "," << p.y << ")";
	return os;
}

main.cpp

#include <iostream>
#include <cmath>
#include "Point.h"
using namespace std;

int main() {
	Point p("A", 5.0, 4.0);
	cout << p << endl;

	return 0;
}

图片来自博客

准备工作完毕,下面开始创建静态库

main.cpp为入口,Point.h是头文件,我们需要将Point.cpp创建为静态库

1.将Point.cpp编译成目标文件.o

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# g++ Point.cpp -c
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 20
-rw-r--r-- 1 root root  156 4月   1 09:44 main.cpp
-rw-r--r-- 1 root root  985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root  872 4月   1 09:43 Point.h
-rw-r--r-- 1 root root 7704 4月   1 10:01 Point.o

2.使用ar工具将刚才生成的目标文件打包成.a静态库文件

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ar -crv libpoint.a Point.o
a - Point.o
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 32
-rw-r--r-- 1 root root 8540 4月   1 10:02 libpoint.a
-rw-r--r-- 1 root root  156 4月   1 09:44 main.cpp
-rw-r--r-- 1 root root  985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root  872 4月   1 09:43 Point.h
-rw-r--r-- 1 root root 7704 4月   1 10:01 Point.o

我们没有指定libpoint.a的目录,因此在当前文件夹下形成

到此,静态库libpoint.a建立完毕

下面我们在编译main.cpp时使用静态库

-L指定静态库目录

-l指定静态库和动态库的名字

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# g++ main.cpp -L ./ -l point -o main
.out
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 52
-rw-r--r-- 1 root root  8540 4月   1 10:02 libpoint.a
-rw-r--r-- 1 root root   156 4月   1 09:44 main.cpp
-rwxr-xr-x 1 root root 19824 4月   1 10:07 main.out
-rw-r--r-- 1 root root   985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root   872 4月   1 09:43 Point.h
-rw-r--r-- 1 root root  7704 4月   1 10:01 Point.o

可执行文件main.out就生成了

动态库的使用

linux上动态库的命令规则libbalabala.so,前缀lib后缀.so

windows上动态库使用比较复杂,不管他了

创建动态库

首先生成目标文件,注意使用-fPIC命令行参数

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# g++ -fPIC -c Point.cpp

-fPIC(position independent code)作用是创建与地址无关的编译程序,为了能够在多个应用程序间共享

然后生成动态链接库

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# g++ -shared -o libpoint.so Point.o
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 60
-rwxr-xr-x 1 root root 18712 4月   1 12:12 libpoint.so
-rw-r--r-- 1 root root   156 4月   1 09:44 main.cpp
-rw-r--r-- 1 root root   985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root   872 4月   1 09:43 Point.h
-rw-r--r-- 1 root root  7704 4月   1 12:12 Point.o
-rw-r--r-- 1 root root 16441 4月   1 11:46 Point.s

生成了libpoint.so

到此动态库创建完毕,下面使用动态库

尝试用使用静态库的方法使用动态库

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# g++ main.cpp -L ./ -l point -o main.out
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ls -l
总用量 80
-rwxr-xr-x 1 root root 18712 4月   1 12:12 libpoint.so
-rw-r--r-- 1 root root   156 4月   1 09:44 main.cpp
-rwxr-xr-x 1 root root 18064 4月   1 12:17 main.out
-rw-r--r-- 1 root root   985 4月   1 09:46 Point.cpp
-rw-r--r-- 1 root root   872 4月   1 09:43 Point.h
-rw-r--r-- 1 root root  7704 4月   1 12:12 Point.o
-rw-r--r-- 1 root root 16441 4月   1 11:46 Point.s
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ./main.out
./main.out: error while loading shared libraries: libpoint.so: cannot open shared object file: No such file or directory

可以通过编译但是out文件执行出错,说是找不到libpoint.so

确实,我们使用-L命令只能指定静态库的目录,使用-l可以指定静态库和动态库的名字

但是就是没有指定动态库的目录

那么动态库到底在哪里呢?

image-20220401122038391

使用第一种方法,将我们自己编写的动态库放在/usr/lib下面

root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# cp libpoint.so /usr/lib
root@deutschball-virtual-machine:/home/deutschball/mydir# ./main.out
A(5,4)

发现可以正常运行了

参考文档

How programs are prepared to run on z/OS

参考博客

https://www.cnblogs.com/skynet/p/3372855.html

https://www.runoob.com/w3cnote/cpp-header.html

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