GCC編譯基礎(chǔ)

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本文轉(zhuǎn)自：AI算法與圖像處理

資料準(zhǔn)備

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為了方便演示和講解，在這里提前準(zhǔn)備好幾個簡單的文件：test.cpp test.h main.cpp  文件內(nèi)容如下：

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main.cpp

#include "test.h"

int main (int argc, char **argv)
{
    Test t;
    t.hello();
    return 0;
}

test.h

//test.h
#ifndef _TEST_H_ 
#define _TEST_H_ 

class Test
{
public:
    Test();
    void hello();
    ~Test();
};
#endif  //TEST

test.cpp

//test.cpp
#include "test.h"
#include <iostream>
using namespace std;

Test::Test()
{

}

void Test::hello()
{
    cout << "hello" << endl;
}

Test::~Test()
{

}

一個完整的C++編譯過程（例如g++ a.cpp生成可執(zhí)行文件），總共包含以下四個過程：

• 編譯預(yù)處理，也稱預(yù)編譯，可以使用命令g++ -E執(zhí)行
• 編譯，可以使用g++ -S執(zhí)行
• 匯編，可以使用as 或者g++ -c執(zhí)行
• 鏈接，可以使用g++ xxx.o xxx.so xxx.a執(zhí)行

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可以通過添加g++ --save-temps參數(shù)，保存編譯過程中生成的所有中間文件 下面對這四個步驟進(jìn)行逐一講解

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1、編譯預(yù)處理階段：主要對包含的頭文件（＃include ）和宏定義（＃define,#ifdef … ）還有注釋等進(jìn)行處理。

可以使用g++ -E 讓g++ 在預(yù)處理之后停止編譯過程，生成 *.ii(.c文件生成的是*.i) 文件。因為上面寫的main.cpp中沒有任何預(yù)編譯指令，所以預(yù)編譯生成與源文件幾乎沒有差別。這里預(yù)編譯一下test.cpp文件

g++ -E test.cpp test.h -o test.ii

可以打開test.ii查看，剛剛的main.cpp文件預(yù)編譯完成后的內(nèi)容：

預(yù)編譯完成后，#include引入的內(nèi)容 被全部復(fù)制進(jìn)預(yù)編譯文件中，除此之外，如果文件中有使用宏定義也會被替換處理。

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• 預(yù)編譯過程最主要的工作，就是宏命令的替換
• #include命令的工作就是單純的導(dǎo)入，這里其實并不限制導(dǎo)入的類型，甚至可以導(dǎo)入.cpp、.txt等等。
• 感興趣的同學(xué)可以預(yù)編譯一個包含Qt中信號的文件，會看到預(yù)編譯之后:
• emit直接成了空。發(fā)射信號實質(zhì)就是一次函數(shù)調(diào)用;
• 頭文件中的signals:也被替換成了protected:（Qt5被替換為public:）
• 以及Qt中其他的宏定義都在預(yù)編譯時被處理如：Q_OBJECT Q_INVOKEABLE等

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2、g++ 編譯階段：C++ 語法錯誤的檢查，就是在這個階段進(jìn)行。在檢查無誤后，g++ 把代碼翻譯成匯編語言。

可以使用-S 選項進(jìn)行查看，該選項只進(jìn)行編譯而不進(jìn)行匯編，生成匯編代碼。

g++ -S main.ii -o main.s

匯編代碼中生成的是和CPU架構(gòu)相關(guān)的匯編指令，不同CPU架構(gòu)采用的匯編指令集不同，生成的匯編代碼也不一樣：

3、g++ 匯編階段：生成目標(biāo)代碼 *.o

有兩種方式：

• 使用 g++ 直接從源代碼生成目標(biāo)代碼 g++ -c *.s -o *.o
• 使用匯編器從匯編代碼生成目標(biāo)代碼 as *.s -o *.o

到編譯階段，代碼還都是人類可以讀懂的。匯編這一階段，正式將匯編代碼生成機器可以執(zhí)行的目標(biāo)代碼，也就是二進(jìn)制碼。

# 編譯
g++ -c main.s -o main.o
# 匯編器編譯
as main.s -o main.o

也可以直接使用as *.s, 將執(zhí)行匯編、鏈接過程生成可執(zhí)行文件a.out, 可以像上面使用-o 選項指定輸出文件的格式。

4、g++ 鏈接階段：生成可執(zhí)行文件；Windows下生成.exe

修改main.cpp的內(nèi)容，引用Test類

#include "test.h"

int main (int argc, char **argv)
{
    Test t;
    t.hello();
    return 0;
}

生成目標(biāo)文件：

• g++ test.cpp -c -o test.o
• g++ main.cpp -c -o main.o

鏈接生成可執(zhí)行文件：

g++ main.o test.o -o a.out

鏈接的過程，其核心工作是解決模塊間各種符號(變量，函數(shù))相互引用的問題，更多的時候我們除了使用.o以外，還將靜態(tài)庫和動態(tài)庫鏈接一同鏈接生成可執(zhí)行文件。

對符號的引用本質(zhì)是對其在內(nèi)存中具體地址的引用，因此確定符號地址是編譯，鏈接，加載過程中一項不可缺少的工作，這就是所謂的符號重定位。本質(zhì)上來說，符號重定位要解決的是當(dāng)前編譯單元如何訪問「外部」符號這個問題。

接下來我們先講解如何將源文件編譯成動態(tài)庫和靜態(tài)庫，然后再講述如何在鏈接時鏈接我們編譯好的庫。

大型項目中不可能使用一個單獨的可執(zhí)行程序提供服務(wù)，必須將程序的某些模塊編譯成動態(tài)或靜態(tài)庫:

編譯生成靜態(tài)庫

使用ar命令進(jìn)行“歸檔”（.a的實質(zhì)是將文件進(jìn)行打包）

ar crsv libtest.a test.o 

• r 替換歸檔文件中已有的文件或加入新文件 (必要)
• c 不在必須創(chuàng)建庫的時候給出警告
• s 創(chuàng)建歸檔索引
• v 輸出詳細(xì)信息

編譯生成動態(tài)庫

使用g++ -shared 命令指定編譯生成的是一個動態(tài)庫

g++ test.cpp -fPIC -shared -Wl,-soname,libtest.so -o libtest.so.0.1

• shared:告訴編譯器生成一個動態(tài)鏈接庫
• -Wl,-soname:指示生成的動態(tài)鏈接庫的別名（這里是libtest.so）
• -o:指示實際生成的動態(tài)鏈接庫（這里是libtest.so.0.1）
• -fPIC
• fPIC的全稱是 Position Independent Code， 用于生成位置無關(guān)代碼（看不懂沒關(guān)系，總之加上這個參數(shù)，別的代碼在引用這個庫的時候才更方便，反之，稍不注意就會有各種亂七八糟的報錯）。
• 使用-fPIC選項生成的動態(tài)庫，是位置無關(guān)的。這樣的代碼本身就能被放到線性地址空間的任意位置，無需修改就能正確執(zhí)行。通常的方法是獲取指令指針的值，加上一個偏移得到全局變量/函數(shù)的地址。
• 關(guān)于PIC參數(shù)的詳細(xì)解讀：點此鏈接

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在gcc中，如果指定-shared不指定-fPIC會報錯，無法生成非PIC的動態(tài)庫，不過clang可以。

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庫中函數(shù)和變量的地址是相對地址，不是絕對地址，真實地址在調(diào)用動態(tài)庫的程序加載時形成。動態(tài)庫的名稱有別名(soname),真名(realname)和鏈接名(linker name)。

• 真名是動態(tài)庫的真實名稱，一般總是在別名的基礎(chǔ)上加上一個小的版本號，發(fā)布版本構(gòu)成 別名由一個前綴lib，然后是庫的名字加上.so構(gòu)成，例如：libQt5Core.5.7.1
• 鏈接名，即程序鏈接時使用的庫的名字，例如：-lQt5Core
• 在動態(tài)鏈接庫安裝的時候總是復(fù)制庫文件到某個目錄，然后用軟連接生成別名，在庫文件進(jìn)行更新的時候僅僅更新軟連接即可。

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「注意:」

• 生成的庫文件總是以libXXX開頭，這是一個約定，因為在編譯器通過-l參數(shù)尋找?guī)鞎r，比如-lpthread會自動去尋找libpthread.so和libpthread.a。
• 如果生成的庫并沒有以lib開頭，編譯的時候仍然可以連接到，不過只能以顯示加在編譯命令參數(shù)里的方式鏈接。例如g++ main.o test.so

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靜態(tài)編譯和動態(tài)編譯

鏈接階段，會將匯編生成的目標(biāo)文件.o與引用到的庫一起鏈接打包到可執(zhí)行文件中。這種稱為靜態(tài)編譯，靜態(tài)編譯中使用的庫就是靜態(tài)庫（*.a 或*.lib）生成的可執(zhí)行文件在運行時不需要依賴于鏈接庫。

• 優(yōu)點：
• 代碼的裝載速度快，執(zhí)行速度也比較快
• 不依賴其他庫執(zhí)行，移植方便
• 缺點：
• 程序體積大
• 更新不方便，如果靜態(tài)庫需要更新，程序需要重新編譯
• 如果多個應(yīng)用程序使用的話，會被裝載多次，浪費內(nèi)存。

g++ main.o libtest.a

編譯完成后可以運行a.out查看效果，通過ldd命令查看運行a.out所需依賴，可以看到靜態(tài)編譯的程序并不依賴libtest庫。

動態(tài)編譯

動態(tài)庫在程序編譯時并不會被連接到目標(biāo)代碼中，而是在程序運行時才被載入。不同的應(yīng)用程序如果調(diào)用相同的庫，那么在內(nèi)存里只需要有一份該共享庫的實例，規(guī)避了空間浪費問題。

動態(tài)編譯中使用的庫就是動態(tài)庫（*.so 或*.dll）

動態(tài)庫在程序運行時才被載入，也解決了靜態(tài)庫對程序的更新、部署和發(fā)布頁會帶來麻煩。用戶只需要更新動態(tài)庫即可，增量更新。

動態(tài)庫在鏈接過程中涉及到加載時符號重定位的問題，感興趣的同學(xué)參看鏈接：動態(tài)編譯原理分析

• 優(yōu)點：
• 多個應(yīng)用程序可以使用同一個動態(tài)庫，而不需要在磁盤上存儲多個拷貝
• 動態(tài)靈活，增量更新
• 缺點：
• 由于是運行時加載，多多少少會影響程序的前期執(zhí)行性能
• 動態(tài)庫缺失會導(dǎo)致文件無法運行

g++ main.o libtest.so

編譯完成后可以運行a.out查看效果，通過ldd命令查看運行a.out所需依賴

gcc鏈接參數(shù) -L、-l、-rpath、-rpath-link

從上面的截圖中，我們已經(jīng)看到了剛才的程序運行報錯，原因是找不到動態(tài)鏈接庫libtest.so。

這個報錯的解決方案有很多例如：

• LD_LIBRARY_PATH=. ./a.out

那么明明編譯成功，運行時為什么會找不到庫？為了弄清這個問題，我們需要對鏈接動態(tài)庫的過程有一個更深入的理解。

我們在main.cpp中明確引用到了Test類，所以在編譯進(jìn)行到最后階段，鏈接的時候。如果在所有參與編譯的文件中沒能檢索到Test這個符號，則會報錯未定義的引用。
所以在編譯過程中必須能夠找到包含Test符號的文件，可以是.o、.a、或者.so。
如果是.o或者.a，也就是靜態(tài)鏈接，那么它會將.o或者.a中的內(nèi)容一起打包到生成的可執(zhí)行文件中，生成的可執(zhí)行文件可以獨立運行不受任何限制。
而如果是.so這種動態(tài)鏈接庫，就比較麻煩了。鏈接器將不會把這個庫打包到生成的可執(zhí)行文件里，而僅僅只會在這里記錄一個地址，告訴程序，如果遇到Test符號，你就去文件libtest.so的第三行第五列（打個比方，實際是一個相對的內(nèi)存地址）找它的定義。

綜上所述

• 編譯鏈接main.cpp的時候，必須能夠找到libtest.so的動態(tài)庫，記錄下Test符號的偏移地址。
• 運行的時候，程序必須找到libtest.so，然后尋址找到Test

編譯時鏈接庫

-L 與 -l 鏈接器參數(shù)，就是指定鏈接時去（哪里）找（什么）庫。

• -l，代表鏈接哪個庫，會自動檢索lib開頭的對應(yīng)庫名。例如-lpthread,-lQt5Core。會自動檢索libpthread.so,libpthread.a,libQt5Core.so,libQt5Core.a
• 如果靜態(tài)庫動態(tài)庫同時存在，優(yōu)先鏈接動態(tài)庫
• -L，指定去哪里找?guī)煳募＠缰付ǎ?code style="overflow-wrap: break-word;margin-right: 2px;margin-left: 2px;font-family: 'Operator Mono', Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 148, 247);background: rgba(59, 170, 250, 0.1);display: inline-block;padding-right: 2px;padding-left: 2px;border-radius: 2px;height: 21px;line-height: 22px;">-L/home/threedog/test，則在編譯時會優(yōu)先檢索/home/threedog/test/libpthread.so等文件。
• 鏈接庫最直接的辦法是不用任何參數(shù)，直接寫庫的路徑加載編譯參數(shù)里。
• 查找順序
• 如果直接寫的庫的全路徑，則會直接去找到庫，不走下面的順序檢索。
• -L，優(yōu)先級最高
• 然后是系統(tǒng)的環(huán)境變量LIBRARY_PATH
• 最后再找內(nèi)定目錄 /lib /usr/lib /usr/local/lib 這是當(dāng)初編譯 gcc時寫在程序內(nèi)的
• 如果都找不到，會報錯找不到文件或找不到-lxxxx

所以以上的編譯命令，可以通過多種方式通過編譯：

• g++ main.o libtest.so，或g++ main.o ./libtest.so
• g++ main.o /home/threedog/test/libtest.so
• g++ main.o -ltest -L.，或g++ main.o -ltest -L/home/threedog/test/
• LIBRARY_PATH=. g++ main.o -ltest，或LIBRARY_PATH=/home/threedog/test/ g++ main.o -ltest
• 或者把libtest.so拷貝到/usr/lib目錄下去。

運行時鏈接庫

通過上面的方法編譯出的a.out，運行會報錯，通過ldd命令查看，發(fā)現(xiàn)編譯時鏈接的libtest.so成了not found
這就引出了第二個問題：如何讓程序運行的時候能夠找到對應(yīng)的庫。

-Wl,-rpath就是做這個事情的：-Wl代表后面的這個參數(shù)是一個鏈接器參數(shù)，-rpath+庫所在的目錄，會給程序明確指定去哪里找對應(yīng)的庫。
手動將一個目錄指定成了ld的搜索目錄。

另外，也可以通過在環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH里添加路徑的方式成功運行

運行時庫的查找順序：

1. 編譯目標(biāo)代碼時指定的動態(tài)庫搜索路徑（-rpath）；
2. 環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的動態(tài)庫搜索路徑；
3. 配置文件/etc/ld.so.conf中指定的動態(tài)庫搜索路徑；
4. 默認(rèn)的動態(tài)庫搜索路徑/lib；
5. 默認(rèn)的動態(tài)庫搜索路徑/usr/lib.

rpath與rpath-link

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其實rpath和rpath-link都是鏈接器ld的參數(shù)，不是gcc的。

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rpath-link和rpath只是看起來很像，可實際上關(guān)系并不大，rpath-link和-L一樣也是在鏈接時指定目錄的。rpath-link的作用，在我們的這個實例中體現(xiàn)不出來。例如你上述的例子指定的需要libtest.so，但是如果 libtest.so 本身是需要 xxx.so 的話，這個 xxx.so 我們你并沒有指定，而是 libtest.so 引用到它，這個時候，會先從 -rpath-link 給的路徑里找。rpath-link指定的目錄與并運行時無關(guān)。

C++頭文件的搜索原則

上面提到了編譯時鏈接庫的查找順序和運行時動態(tài)庫的檢索順序，順便再提一下C++編譯時頭文件的檢索順序：

• #include<file.h>只在默認(rèn)的系統(tǒng)包含路徑搜索頭文件
• #include"file.h"首先在當(dāng)前目錄以及-I指定的目錄搜索頭文件, 若頭文件不位于當(dāng)前目錄, 則到系統(tǒng)默認(rèn)的包含路徑搜索

順序：

1. 先搜索當(dāng)前目錄
2. 然后搜索-I指定的目錄
3. 再搜索gcc的環(huán)境變量CPLUS_INCLUDE_PATH（C程序使用的是C_INCLUDE_PATH）
4. 最后搜索gcc的內(nèi)定目錄
• /usr/include
• /usr/local/include
• /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.1.1/include

以上，就是對gcc參數(shù)的一些詳細(xì)總結(jié)，下面根據(jù)上面的講解解決幾個常遇到的疑問：

問題1：-l鏈接的到底是動態(tài)庫還是靜態(tài)庫？

• 如果鏈接路徑下同時有 .so 和 .a  那優(yōu)先鏈接 .so

問題2：如果路徑下同時有靜態(tài)庫和動態(tài)庫如何鏈接靜態(tài)庫？

• 最好的辦法，是參數(shù)里直接寫上靜態(tài)庫的全路徑。
• 另一個辦法，可以使用-static參數(shù)，會強制鏈接靜態(tài)庫。這種方式生成的文件可以執(zhí)行，但是文件的elf頭會有問題，使用ldd,readelf -d查看會顯示不是動態(tài)可執(zhí)行文件。

問題3：如果文件中沒有使用對應(yīng)的庫，編譯器是否仍然會進(jìn)行鏈接？

• 這個取決于編譯器的類型和版本，我本地gcc5.4，如果沒有用到的庫，即使寫了-l也不會鏈接。而我本地的clang，則會明確鏈接對應(yīng)的庫即使我沒有用到它。

參考鏈接：

• https://www.cnblogs.com/king-lps/p/7757919.html
• https://blog.csdn.net/abcdu1/article/details/86083295
• https://blog.csdn.net/weixin_40240269/article/details/86702090
• https://www.jianshu.com/p/b2f611acba3d
• https://www.cnblogs.com/youxin/p/5357614.html
• https://blog.csdn.net/benpaobagzb/article/details/51277960