【Linux】深度解析与实战应用：GCC/G++编译器入门指南
文章目录
- 1. gcc/g++简介
- 2. gcc/g++的基本使用
- 3. 函数库
- 4. 调试
- 5. 总结
1. gcc/g++简介
在Linux系统中，GCC（GNU Compiler Collection）是极其重要且广泛使用的编译器，它支持多种编程语言，包括C、C++、Objective-C、Java、Fortran等。GCC以其高效、灵活和跨平台的特点赢得了开发者的青睐。本文将详细介绍GCC中的C编译器gcc和C++编译器g++的基本使用方法和编译过程。
GCC（GNU Compiler Collection）是一个由GNU项目开发的编译器套件，原名GNU C Compiler，但随着发展，它已支持多种编程语言的编译。GCC最初只能编译C语言，但现在的GCC通过不同的前端模块支持多种语言。GCC支持多种硬件平台，并且具备跨平台交叉编译的能力。
在Linux系统中，gcc和g++是GCC套件中用于编译C和C++程序的工具。gcc专门用于C语言程序的编译，而g++则专注于C++程序的编译。虽然两者在编译C程序时可能表现相似，但在处理C++程序时，g++会链接C++的标准库，而gcc默认链接C的标准库。
2. gcc/g++的基本使用
gcc和g++的基本使用格式如下：
gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]
g++ [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]
我们可以通过下面的指令来判断是否已经安装gcc/g++：
gcc --version
g++ --version
如果没有安装，大家可以先搜索安装gcc/g++对应的指令进行安装，因为不同的Linux发行版本安装指令或多或少有些差异，所以这里就不过多介绍。
gcc和g++的一些常用的选项包括：
-E：仅进行预处理，不进行编译和汇编。
-S：生成汇编代码，但不进行汇编和链接。
-c：生成目标代码（.o文件），但不进行链接。
-o：指定输出的文件名。
-static：使用静态链接生成可执行文件。
-g：生成调试信息，供GDB等调试器使用。
首先对于一个C或C++程序从源代码到可执行文件的编译过程通常包括四个步骤：预处理、编译、汇编和链接。
✨【预处理(进行宏替换)】：
预处理功能主要包括宏定义,文件包含（#include）、条件编译（如#ifdef、#ifndef、#endif）以及删除注释等。
实例：
gcc -E hello.c -o hello.i
- 这条命令会生成一个预处理后的文件hello.i，其中包含了所有宏展开和文件包含的结果；
- hello.c 是要预处理的文件；
- 选项“-E”,该选项的作用是让 gcc在预处理结束后停止编译过程；
- 选项“-o”指向目标文件hello.i；
- hello.i文件为已经预处理的C原始程序也就是目标文件。
✨【编译（生成汇编）】：
在这个阶段中,gcc 首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等,以确定代码的实际要做的工作,在检查无误后,gcc 把代码翻译成汇编语言。
实例:
gcc -S hello.i -o hello.s
- 这条命令会生成一个汇编文件hello.s;
- hello.i 是要编译的文件；
- 选项“-S”,该选项的作用是让 gcc在预处理、编译后停止进行汇编，生成汇编代码
- 选项“-o”指向目标文件hello.s；
- hello.s文件为已经编译后的目标文件。
✨【汇编（生成机器可识别代码）】：
汇编阶段将汇编代码转换成机器可以直接识别的二进制代码（目标代码）。也就是把编译阶段生成的“.s”文件转成为“.o”的二进制目标代码。
实例:
gcc -c hello.s -o hello.o
- 这条命令会生成一个目标文件hello.o，它是二进制文件，但还不能直接执行；
- hello.s 是要汇编的文件；
- 选项“-o”,该选项的作用是让 gcc在预处理、编译、汇编后停止进行链接，生成二进制目标代码；
- 选项“-o”指向目标文件hello.o；
- hello.o文件为已经汇编后的目标文件。
✨【链接（生成可执行文件或库文件）】：
在成功编译之后,就进入了链接阶段。链接阶段将目标代码与程序所需的库（如C标准库libc.so.6）合并，生成最终的可执行文件。
实例:
gcc hello.o -o hello
- 这条命令将hello.o与必要的库链接，生成可执行文件hello。
- hello.o 是要链接的文件；
- 选项“-o”指向目标文件hello；
- hello文件为已经链接后的目标文件。
通常情况下我们都是直接使用gcc hello.c -o hello命令来将.c源文件直接一次性生成最终的可执行文件。
3. 函数库
- 我们的C程序中，并没有定义“printf”的函数实现,且在预编译中包含的“stdio.h”中也只有该函数的声明,而没有定义函数的实现,那么,是在哪里实“printf”函数的呢?
- 这是因为系统把这些函数实现都被做到名为 libc.so.6 的库文件中去了,在没有特别指定时,gcc 会到系统默认的搜索路径“/usr/lib”下进行查找,也就是链接到 libc.so.6 库函数中去,这样就能实现函数“printf”了,而这也就是链接的作用。
在编译过程中，程序可能会调用标准库或其他第三方库中的函数。这些函数的具体实现在库中，而编译时生成的目标文件仅包含对这些函数的引用。链接器（Linker）负责将这些引用与库中的实际实现关联起来。
库分为静态库和动态库两种：
- 静态库在编译时将库代码直接复制到可执行文件中，因此生成的可执行文件较大，但运行时不再需要库文件，其后缀名一般为“.a”。
- 动态库与之相反,在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中,而是在程序执行时由运行时链接文件加载库,由操作系统动态加载。这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为“.so”,如前面所述的 libc.so.6 就是动态库。gcc 在编译时默认使用动态库。完成了链接之后,gcc 就可以生成可执行文件。
4. 调试
在Linux操作系统的软件开发中，调试是一个至关重要的环节。它帮助开发者定位和解决程序中的错误、优化代码性能以及深入理解程序的运行过程。Linux提供了GDB（GNU Debugger）作为强大的调试工具，可以帮助开发者在程序运行时查找和修复错误。
GDB是GNU项目的一部分，是一款功能强大的程序调试工具，支持多种编程语言，包括C、C++、Ada等。它允许开发者在程序运行时暂停执行、检查程序的状态（如变量值、寄存器状态、内存内容等）、单步执行代码以及修改程序中的数据，从而帮助开发者定位问题所在。
在Linux环境下，使用GCC（GNU Compiler Collection）或G++（GCC的C++编译器）编译程序时，可以选择不同的编译模式来优化程序或保留调试信息。这些模式主要包括debug模式和release模式。
- Release模式
在Release模式下，编译器会进行各种优化，以减少程序的大小、提高运行速度和效率。这些优化可能包括代码重排、循环展开、内联函数等。在Release模式下编译的程序通常不包含调试信息，因此程序体积更小，运行更快，但更难进行调试。
- Debug模式
Debug模式则相反，它主要是为了调试程序而设计的。在Debug模式下，编译器会生成包含大量调试信息的二进制文件，这些调试信息包括源代码的行号、变量名、函数名等，这些信息对于使用调试器（如GDB）来跟踪程序执行、检查变量值、设置断点等非常有用。
- GCC/G++的-g选项
-g选项是GCC/G++编译器的一个非常关键的选项，它告诉编译器生成调试信息。默认情况下（即不指定-g选项时），GCC/G++会以类似于Release模式的方式编译程序，即进行优化但不包含调试信息。如果你想要使用GDB等调试工具来调试你的程序，你需要在编译时加上-g选项。这样，GCC/G++就会生成包含调试信息的二进制文件。例如：
g++ -g my_program.cpp -o my_program
这条命令会编译my_program.cpp文件，并生成一个名为my_program的二进制文件，该文件包含了调试信息，因此可以使用GDB进行调试。
总之，Linux gcc/g++出来的二进制程序，默认是release模式，要使用gdb调试，必须在源代码生成二进制程序的时候, 加上 -g 选项。
【GDB的基本使用方法】
首先可以使用sudo yum install -y gdb命令来安装gdb：
出现complete字样则表明安装成功🥳🥳
- 启动GDB
使用GDB调试程序非常简单，只需在命令行中输入gdb命令后跟程序名即可。例如，要调试名为test的程序，可以输入：
gdb test
- 设置断点
在GDB中，断点是最常用的功能之一。它允许程序在执行到特定行时暂停。可以通过break（简写为b）命令设置断点。例如，在程序第10行设置断点：
(gdb) b 10
或者，如果知道函数名，也可以直接在函数处设置断点：
(gdb) break main
- 查看断点
使用info breakpoints命令这是查看断点信息的最直接方式。在GDB命令行中输入info breakpoints（或简写为info b），GDB会列出所有已设置的断点信息，包括断点的编号、类型、是否启用、地址以及断点所在的源代码位置等。
(gdb) info b
在这个示例中，Num是断点的编号，Type是断点的类型（这里是普通的断点），Disp是断点处理后的行为（keep表示断点保持活动状态），Enb表示断点是否启用（y表示启用），Address是断点所在的内存地址，What是断点所在的源代码位置。
如果你只对某个特定的断点感兴趣，可以使用info breakpoint 编号命令来查看该断点的详细信息。其中，“编号”是你想要查看的断点的编号。
(gdb) info breakpoint 1
这个命令会展示编号为1的断点的详细信息，与info breakpoints类似，但只针对这一个断点。
- 删除断点
delete 断点编号：删除指定编号的断点。
clear 文件名:行号：删除指定文件和行号上的断点。
此外：
disable breakpoints：禁用断点
enable breakpoints：启用断点
- 运行程序
设置好断点后，可以使用run（简写为r）命令启动程序。程序会在遇到第一个断点时暂停。
- 查看变量
查看变量值：使用print（简写为p）命令可以查看变量的当前值。例如，查看变量x的值：
(gdb) print x
display 变量名：跟踪查看一个变量，每次停下来都显示它的值
undisplay：取消对先前设置的那些变量的跟踪
-
until X行号：跳至X行 -
查看调用栈
使用backtrace（简写为bt）命令可以查看当前的函数调用栈。
- 查看寄存器
通过info registers命令可以查看当前寄存器的状态。
- 单步执行
next（简写为n）：执行下一行代码，如果当前行有函数调用，不会进入函数内部。
step（简写为s）：执行下一行代码，如果当前行有函数调用，会进入函数内部。
- 继续执行
使用continue（简写为c）命令可以让程序继续执行，直到遇到下一个断点或程序结束。
- 执行到当前函数
finish：执行到当前函数返回，然后停下来等待命令
- 列出源码
list／l 行号：显示binFile源代码，接着上次的位置往下列，每次列10行。
list／l 函数名：列出某个函数的源代码。
- 退出GDB
使用quit（简写为q）命令退出GDB。
【GDB的高级技巧】
- 条件断点
可以设置仅在特定条件下触发的断点。例如，当变量x等于10时暂停：
(gdb) break 10 if x == 10
- 观察点
与断点不同，观察点是在变量值发生变化时暂停程序。使用watch命令设置来观察变量的值：
(gdb) watch x
- 反汇编查看
使用disassemble（简写为disas）命令可以查看函数的汇编代码，有助于理解底层执行流程。
- 核心转储文件调试
当程序崩溃时，Linux系统会自动生成一个核心转储文件（core dump）。GDB可以加载这个文件进行调试，帮助开发者分析崩溃原因。
- 远程调试
GDB支持通过TCP/IP连接远程目标机进行调试，非常适合嵌入式系统或分布式系统的开发。
GDB作为一款功能强大的调试工具，为Linux环境下的软件开发提供了极大的便利。掌握GDB的基本使用方法和高级技巧，对于提升开发效率、保证软件质量具有重要意义。
5. 总结
GCC是Linux下极其重要的编译器，通过gcc和g++，开发者可以方便地将C和C++源代码编译成可执行文件。了解GCC的编译过程和常用选项，对于Linux下的软件开发至关重要。此外通过GDB进行调试，可以进一步帮助开发者定位和解决程序中的错误。
