GCC指令及動態庫、靜態庫怎么使用

本文小編為大家詳細介紹“GCC指令及動態庫、靜態庫怎么使用”，內容詳細，步驟清晰，細節處理妥當，希望這篇“GCC指令及動態庫、靜態庫怎么使用”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來學習新知識吧。

一、GCC

1.1 GCC 介紹

GCC 是 Linux 下的編譯工具集，是「GNU Compiler Collection」的縮寫，包含 gcc、g++ 等編譯器。這個工具集不僅包含編譯器，還包含其他工具集，例如 ar、nm 等。

GCC 工具集不僅能編譯 C/C++ 語言，其他例如 Objective-C、Pascal、Fortran、Java、Ada 等語言均能進行編譯。GCC 還可以根據不同的硬件平臺進行編譯，即能進行交叉編譯，在 A 平臺上編譯 B 平臺的程序，支持常見的 X86、ARM、PowerPC、mips 等，以及 Linux、Windows 等軟件平臺。

1.2 安裝 GCC

首先，查看 gcc 是否安裝：

# 查看 gcc 版本
$ gcc -v
$ gcc --version

# 查看 g++ 版本
$ g++ -v
$ g++ --version

如果在輸入指令后可以獲取到 gcc 版本，那么就表明你的 Linux 中已經安裝了 gcc：

如果沒有安裝，則可按照如下方法安裝 gcc：

# centos
$ sudo yum update   		# 更新本地的軟件下載列表, 得到最新的下載地址
$ sudo yum install gcc g++	# 通過下載列表中提供的地址下載安裝包, 并安裝

1.3 GCC 工作流程

1.3.1 一般使用流程

首先準備一個 C 語言代碼，并命名為 test.c：

#include <stdio.h>
#define MAX 3
int main()
{
    int i;
    for (i = 1; i <= MAX; i++) 
    {
        printf("Hello World\n"); // 輸出 Hello World
    }

    return 0;
}

一般情況下，我們可以直接通過 $ gcc test.c -o test編譯 test.c，并通過$ ./test指令運行生成的可執行文件：

-o：output，是 gcc 編譯器的可選參數，用于指定輸出文件名及路徑，默認輸出到當前路徑下。下圖展示了如何通過 -o 參數修改輸出路徑：

或者不使用 -o 參數，則生成一個默認名稱的可執行文件 a.out：

實際上，GCC 編譯器在對程序進行編譯的時候，分為了四個步驟：

• 預處理（Pre-Processing）：

• 在這個階段主要做了三件事：展開頭文件 、宏替換 、去掉注釋行

• 結果得到的還是一個 C 程序，通常是以 .i 作為文件擴展名

• 編譯（Compiling） ：

• 在這個階段中，gcc 首先要檢查代碼的規范性、是否有語法錯誤等，以確定代碼實際要做的工作

• 在檢查無誤后，gcc 把代碼編譯成匯編代碼，得到一個以 .s 作為文件拓展名的匯編文件。

匯編（Assembling）：

+ 匯編階段是把編譯階段生成的 .s 文件轉化成目標文件
+ 最終得到一個以 .o 結尾的二進制文件

• 鏈接（Linking）：這個階段需要 GCC 調用鏈接器對程序需要調用的庫進行鏈接，最終得到一個可執行的二進制文件

而 GCC 的編譯器可以將這 4 個步驟合并成一個，這也就是為什么我們使用$ gcc test.c -o test就可以直接生成可執行文件 test 的原因。下面我們對這 4 個步驟做個詳細的介紹。

1.3.2 詳細的工作流程

1.3.2.1 預處理

# 通過添加參數 -E 生成預處理后的 C 文件 test.i
# 必須通過 -o 參數指定輸出的文件名
$ gcc -E test.c -o test.i

讓我們來觀察一下 test.i 中的代碼內容（太長了，只觀察 main 函數中的替換情況）：

int main()
{
    int i;
    for (i = 1; i <= 3; i++)
    {
        printf("Hello World\n");
    }

    return 0;
}

通過分析 test.i 可以發現：

• 宏定義 MAX 被替換為了相應的值 3

• 注釋「// 輸出 Hello World」也被去掉了

1.3.2.2 編譯

# 通過添加參數 -S 將 test.i 轉換為匯編文件 test.s（默認生成 .s 文件）
$ gcc -S test.i
$ gcc -S test.i -o test.s # 寫法二

1.3.2.3 匯編

# 通過匯編得到二進制文件 test.o（默認生成 .o 文件，object）
$ gcc -c test.s
$ gcc -c test.s -o test.o # 寫法二

1.3.2.4 鏈接

# 通過鏈接得到可執行文件 test
$ gcc test.o -o test

在成功生成 test.o 文件后，就進入了鏈接階段。在這里涉及到一個重要的概念：函數庫。

在 test.c 的代碼中，我們通過print()函數打印 Hello World 語句；但是在這段程序中并沒有定義 printf 的函數實現，且在預編譯中包含進去的「stdio.h」中也只有該函數的聲明extern int printf (const char *__restrict __format, ...);，而沒有定義函數的實現，那么是在哪里實現的呢？

答案就是：系統把這些函數實現都做到了名為 libc.so.6 的庫文件中去了，在沒有特別指定時，gcc 會到系統默認的搜索路徑 /usr/lib64 下進行查找，也就是鏈接到 libc.so.6 庫函數中去，這樣就有函數 printf 的實現了，而這也就是鏈接的作用。

而函數庫一般分為靜態庫和動態庫兩種：

• 靜態庫是指在編譯鏈接時，把庫文件的代碼全部加入到可執行文件中，因此生成的文件比較大，但在運行時也就不需要庫文件了。在 Linux 中靜態庫一般以 .a 作為后綴。

• 動態庫與之相反，在編譯鏈接時并沒有把庫文件的代碼加入到可執行文件中，而是在程序執行時鏈接文件加載庫，這樣就可以節省系統的開銷。在 Linux 中動態庫一般以 .so 作為后綴。

如前面所述的 libc.so.6 就是動態庫，gcc 在編譯時默認使用動態庫。完成了鏈接之后，gcc 就可以生成可執行文件了。

1.3.2.5 總結

最后，通過一張圖來總結一下上述流程：

在 Linux 下使用 GCC 編譯器編譯單個文件十分簡單，直接使用$ gcc test.c（test.c 為要編譯的 C 語言的源文件），GCC 會自動生成文件名為 a.out 的可執行文件（也可以通過參數 -o 指定生成的文件名）；也就是通過一個簡單的命令就可以將上邊提到的 4 個步驟全部執行完畢了；但是如果想要單步執行也是沒問題的。

1.4 GCC 常用參數

下面的表格中列出了一些常用的 gcc 參數，這些參數在 gcc 命令中沒有位置要求，只需要編譯程序的時候將需要的參數指定出來即可。

1.4.1 指定一個宏（-D）

在程序中我們可以通過使用#define定義一個宏，也可以通過宏控制某段代碼是否能夠被執行。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int num = 60;
    printf("num = %d\n", num);
#ifdef DEBUG
    printf("定義了 DEBUG 宏, num++\n");
    num++;
#else
    printf("未定義 DEBUG 宏, num--\n");
    num--;
#endif

    printf("num = %d\n", num);

    return 0;
}

由于我們在程序中并沒有定義 DEBUG 宏，所以第 8~9 行的代碼就不會被執行：

那么如何才能夠在程序中不定義 DEBUG 宏的情況下執行第 8~9 行的代碼呢？答案是通過 -D 參數：

需要注意的是，-D 參數必須在生成 test.o 前使用（鏈接前）。如下所示，是無效的：

說了這么多，-D 參數有什么用呢？下面我們簡單敘述一下 -D 參數的應用場景。

1.4.1.1 應用場景一

在發布程序的時候，一般都會要求將程序中所有的 log 輸出去掉，如果不去掉會影響程序的執行效率，很顯然刪除這些打印 log 的源代碼是一件很麻煩的事情，解決方案是這樣的：

• 將所有的打印 log 的代碼都寫到一個宏判定中，可以模仿上邊的例子；

• 在調試程序的時候指定 -D，就會有 log 輸出；

• 在發布程序的時候不指定 -D，log 就不會輸出；

1.4.1.2 應用場景二

或者，你編寫的一個軟件，某個付費功能只對已付費的用戶 A 開放，但不對白嫖的用戶 B 開放，其中一種解決方法是：

• 每個用戶對應一個維護分支，用戶 A 對應 project_1 分支包含付費功能的代碼，用戶 B 對應的 project_2 分支不包含付費功能的代碼。

• 當用戶 B 付費訂閱時，再將付費項目的代碼拷貝到 project_2 中

如果再來一個用戶 C 呢？有沒有感覺很麻煩的樣子？那么我們完全可以這樣做：

#include <stdio.h>

int main()
{
#ifdef CHARGE
    //付費用戶執行流程
    printf("該用戶已付費，執行付費功\n");
#else
    //白嫖用戶執行流程
    printf("白嫖用戶，拒絕執行付費功能\n");
#endif

    printf("公共功能\n");

    return 0;
}

在編譯付費用戶的時候，添加 -D CHARGE 參數；編譯白嫖用戶，則不添加。這樣的話，不管來多少用戶，都只需要維護一個分支即可。

1.4.2 指定 C 方言（-std）

對于如下 C 語言代碼：

#include <stdio.h>

int main()
{
    for (int i = 1; i <= 3; i++)
    {
        printf("i = %d\n", i);
    }

    return 0;
}

在編譯時是會報錯的：

但如果我們加上 -std=c99，就可以了：

二、靜態庫和動態庫

2.1 掃盲

庫是「已經寫好的、供使用的」可復用代碼，每個程序都要依賴很多基礎的底層庫。

從本質上，庫是一種可執行代碼的二進制形式，可以被操作系統載入內存執行。程序中調用的庫有兩種「靜態庫和動態庫」，所謂的「靜態、動態」指的是鏈接的過程。

2.2 靜態庫

2.2.1 靜態庫簡介

在 Linux 中靜態庫以 lib 作為前綴、以 .a 作為后綴，形如 libxxx.a（其中的 xxx 是庫的名字，自己指定即可）。靜態庫以之所以稱之為「靜態庫」，是因為在鏈接階段，會將匯編生成的目標文件 .o 與引用的庫一起鏈接到可執行文件中，對應的鏈接方式稱為靜態鏈接。

2.2.2 靜態庫的生成

在 Linux 中靜態庫由程序 ar 生成。生成靜態庫，需要先對源文件進行匯編操作得到二進制格式的目標文件（以 .o 結尾的文件），然后再通過 ar 工具將目標文件打包就可以得到靜態庫文件了。

使用 ar 工具創建靜態庫的一般格式為$ ar -rcs libxxx.a 若干原材料(.o文件)：

2.2.3 靜態庫的制作舉例

在某目錄中有如下源文件，用來實現一個簡單的計算器。

add.c

#include <stdio.h>

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

sub.c

#include <stdio.h>

int subtract(int a, int b)
{
    return a - b;
}

mult.c

#include <stdio.h>

int multiply(int a, int b)
{
    return a * b;
}

具體操作步驟如下：

# 第一步：將源文件 add.c、sub.c、mult.c 進行匯編，得到二進制目標文件 add.o、sub.o、mult.o
$ gcc -c add.c sub.c mult.c

# 第二步：將生成的目標文件通過 ar 工具打包生成靜態庫
$ ar rcs libcalc.a add.o sub.o mult.o

2.2.4 靜態庫的使用

定義 main 函數如下所示：

main.c

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 20;
    int b = 12;

    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    printf("a + b = %d\n", add(a, b));
    printf("a - b = %d\n", subtract(a, b));
    printf("a * b = %d\n", multiply(a, b));

    return 0;
}

并將靜態庫 libcalc.a 置于同級目錄下：

通過指令$ gcc main.c -o main -L ./ -l calc編譯 main.c 文件，并鏈接靜態庫 libcalc.a：

• -L：指定使用的庫的路徑（因為在同一級目錄下，所以可以直接用了./，或者使用絕對路徑也是可以的）

• -l：指定使用的庫（庫的名字一定要掐頭去尾。如：libcalc.a 變為 calc）

編譯結果會提示三個 warning，這是由于沒有定義這些函數導致的，先暫時不用管。

運行 main 結果如下：

我們思考這么一個問題：由于靜態庫是我們自己制作的，其所包含的函數我們很清楚，直接鏈接并使用即可。但如果別人想要使用呢？他們可不清楚靜態庫中的函數該如何調用，所以我們有必要提供一個頭文件，這樣將靜態庫及頭文件交給其他人時，他們知道該如何用了。

head.h

#ifndef _HEAD_H_
#define _HEAD_H_

int add(int a, int b);

int subtract(int a, int b);

int multiply(int a, int b);

#endif

還記得之前的報錯嗎？現在有了頭文件就要使用起來。

main.c

#include <stdio.h>
#include "head.h"

int main()
{
    int a = 20;
    int b = 12;

    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    printf("a + b = %d\n", add(a, b));
    printf("a - b = %d\n", subtract(a, b));
    printf("a * b = %d\n", multiply(a, b));

    return 0;
}

編譯、鏈接、運行，一氣呵成：

2.2.5 ar 命令參數介紹

制作靜態庫時所使用的指令$ ar rcs libcalc.a add.o sub.o mult.o div.o共有三個參數：

• -c：創建一個庫，不管庫是否存在，都將創建。這個很好理解，就不做過多的解釋了。

• -r：在庫中插入（替換）模塊 。默認新的成員添加在庫的結尾處，如果模塊名已經在庫中存在，則替換同名的模塊。

• -s：創建目標文件索引，這在創建較大的庫時能加快時間。

參數 -r 的詳細解釋

假設現在有了新的需求，需要靜態庫 libcalc.a 提供除法運算的功能模塊，該怎么操作呢？

首先我們需要新建一個除法運算的源文件 div.c：

#include <stdio.h>

double divide(int a, int b)
{
    return (double)a / b;
}

并通過匯編操作生成目標文件 div.o。

接下來我們可以通過 -r 參數將除法運算的模塊添加到靜態庫中：$ ar -r libcalc.a div.o。

并且要在 head.h 中增加對除法運算的聲明：

#ifndef _HEAD_H_
#define _HEAD_H_

// Other

double divide(int a, int b);

#endif

參數 -s 的詳細解釋

在獲取一個靜態庫的時候，我們可以通過$ nm -s libcalc.a來顯示庫文件中的索引表：

而索引的生成就要歸功于 -s 參數了。

如果不需要創建索引，可改成 -S 參數。

如果 libcalc.a 缺少索引，可以使用$ ranlib libcalc.a 指令添加。

2.2.6 其他命令介紹

# 顯示庫文件中有哪些目標文件，只顯示名稱
$ ar t libcalc.a

# 顯示庫文件中有哪些目標文件，顯示文件名、時間、大小等詳細信息
$ ar tv libcalc.a

# 顯示庫文件中的索引表
$ nm -s libcalc.a

# 為庫文件創建索引表
$ ranlib libcalc.a

2.3 動態庫

2.3.1 動態庫簡介

在 Linux 中動態庫以 lib 作為前綴、以 .so 作為后綴，形如 libxxx.so（其中的 xxx 是庫的名字，自己指定即可）。相比于靜態庫，使用動態庫的程序，在程序編譯時并不會鏈接到目標代碼中，而是在運行時才被載入。不同的應用程序如果調用相同的庫，那么在內存中只需要有一份該共享庫的實例，避免了空間浪費問題。同時也解決了靜態庫對程序的更新的依賴，用戶只需更新動態庫即可。

2.3.2 動態庫的生成

生成動態庫是直接使用 gcc 命令，并且需要添加 -fpic 以及 -shared 參數：

• -fpic 參數的作用是使得 gcc 生成的代碼是與位置無關的，也就是使用相對位置。

• -shared 參數的作用是告訴編譯器生成一個動態鏈接庫。

2.3.3 動態庫的制作舉例

還是以上述程序 add.c、sub.c、mult.c 為例：

# 第一步：將源文件 add.c、sub.c、mult.c 進行匯編，得到二進制目標文件 add.o、sub.o、mult.o
$ gcc -c -fpic add.c sub.c mult.c

# 第二步：將得到的 .o 文件打包成動態庫
$ gcc -shared add.o sub.o mult.o -o libcalc.so

# 第三步：發布動態庫和頭文件
1. 提供頭文件 head.h
2. 提供動態庫 libcalc.so

至于為什么需要提供頭文件，在講解靜態庫時已經做了說明，此處不再贅述。

2.3.4 動態庫的使用

head.h

#ifndef _HEAD_H_
#define _HEAD_H_

int add(int a, int b);

int subtract(int a, int b);

int multiply(int a, int b);

#endif

main.c

#include <stdio.h>
#include "head.h"

int main()
{
    int a = 20;
    int b = 12;

    printf("a = %d, b = %d\n", a, b);
    printf("a + b = %d\n", add(a, b));
    printf("a - b = %d\n", subtract(a, b));
    printf("a * b = %d\n", multiply(a, b));

    return 0;
}

和靜態庫的鏈接方式一樣，都是通過指令$ gcc main.c -o main -L ./ -l calc來進行鏈接庫操作。

gcc 通過指定的動態庫信息生成了可執行程序 main，但是可執行程序運行卻提示無法加載到動態庫：

./main: error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

這是怎么回事呢？

2.3.5 解決動態庫加載失敗的問題

首先來看一下不同庫的工作原理：

• 靜態庫如何被加載：

• 在程序編譯的最后一個階段也就是鏈接階段，提供的靜態庫會被打包到可執行程序中。

• 當可執行程序被執行，靜態庫中的代碼也會一并被加載到內存中，因此不會出現靜態庫找不到無法被加載的問題。

• 動態庫如何被加載：

• 程序會先檢測所需的動態庫是否可以被加載，加載不到就會提示上邊的錯誤信息。

• 當動態庫中的函數在程序中被調用了，這個時候動態庫才加載到內存，如果不被調用就不加載。

• 在程序編譯的最后一個階段也就是鏈接階段，在 gcc 命令中雖然指定了庫路徑，但是這個路徑并沒有被記錄到可執行程序中，只是檢查了這個路徑下的庫文件是否存在。同樣對應的動態庫文件也沒有被打包到可執行程序中，只是在可執行程序中記錄了庫的名字。

• 當可執行程序被執行起來之后：

動態庫的檢測和內存加載操作都是由動態鏈接器來完成的

動態鏈接器是一個獨立于應用程序的進程，屬于操作系統。當用戶的程序需要加載動態庫的時候動態連接器就開始工作了，很顯然動態連接器根本就不知道用戶通過 gcc 編譯程序的時候通過參數 -L 指定的路徑。

那么動態鏈接器是如何搜索某一個動態庫的呢，在它內部有一個默認的搜索順序，按照優先級從高到低的順序分別是：

• 可執行文件內部的 DT_RPATH 段。

• 系統的環境變量 LD_LIBRARY_PATH。

• 系統動態庫的緩存文件 /etc/ld.so.cache。

• 存儲「靜態庫 / 動態庫」的系統目錄 /lib、/usr/lib 等。

按照以上四個順序，依次搜索，找到之后結束遍歷。若檢索到最終還是沒找到，那么動態連接器就會提示動態庫找不到的錯誤信息。一般情況下，我們都是通過修改系統的環境變量的方式設置動態庫的地址。

將動態庫路徑追加到環境變量 LD_LIBRARY_PATH 中：$ LD_LIBRARY_PATH=${LD_LIBRARY_PATH}:動態庫的絕對路徑

比如，我所需要的動態庫的絕對路徑為 /mnt/hgfs/SharedFolders/DynamicLibrary，那么：

$ LD_LIBRARY_PATH=${LD_LIBRARY_PATH}:/mnt/hgfs/SharedFolders/DynamicLibrary

這樣的話，我在運行 main，就不會報錯了。

但是通過這種方式設置的環境變量盡在當前的終端中有效，那么怎樣才能讓這個設置永久生效呢？

通過指令$ vim ~/.bashrc打開并修改該文件：

修改后，使用$ source ~/.bashrc使修改立即生效。

經過上述操作，就不用每次開啟終端都需要修改環境變量了。當然這種永久生效的方式僅適用于動態庫路徑唯一的情況，如果你每次使用的動態庫都在不同的位置，那么這么設置也沒啥用????

2.4 動態庫與靜態庫的比較

2.4.1 靜態庫的特點

• 靜態庫對函數庫的鏈接是在編譯期完成的。

• 靜態庫在程序編譯時會鏈接到目標代碼中，因此使可執行文件變大。

• 當鏈接好靜態庫后，在程序運行時就不需要靜態庫了。

• 對程序的更新、部署與發布不方便，需要全量更新。

• 如果某一個靜態庫更新了，所有使用它的應用程序都需要重新編譯、發布給用戶。

2.4.2 動態庫的特點

• 動態庫把對一些庫函數的鏈接載入推遲到程序運行時期。

• 可以實現進程之間的資源共享，因此動態庫也稱為共享庫。

• 將一些程序升級變得簡單，不需要重新編譯，屬于增量更新。

2.5 使用庫的目的

在項目中使用庫一般有兩個目的：

• 為了使程序更加簡潔不需要在項目中維護太多的源文件。

• 另一方面是為了源代碼保密，畢竟不是所有人都想把自己編寫的程序開源出來。

當我們拿到了庫文件（動態庫、靜態庫）之后要想使用還必須有這些庫中提供的 API 函數的聲明，也就是頭文件，把這些都添加到項目中，就可以快樂的寫代碼了。

讀到這里，這篇“GCC指令及動態庫、靜態庫怎么使用”文章已經介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點還需要大家自己動手實踐使用過才能領會，如果想了解更多相關內容的文章，歡迎關注億速云行業資訊頻道。