GCC——一切从这里开始

摘要: 要想读懂本文，你需要对C语言有基本的了解，本文将介绍如何使用gcc编译器。

首先，我们介绍如何在命令行方式下使用编译器编译简单的C源代码。然后，我们简要介绍一下编译器究竟作了那些工作，以及如何控制编译过程。我们也简要

介绍了调试器的使用方法。

GCC rules
你能想象使用封闭源代码的私有编译器编译自由软件吗？你怎么知道编译器在你的可执行文件中加入了什么？可能会加入各种后门和木马。Ken Thompson是一个著名的黑客，他编写了一个编译器，当编译器编译自己时，就在login程序中留下后门和永久的木马。幸运的是，我们有了gcc。

当你进行 configure; make; make install 时， gcc在幕后做了很多繁重的工作。如何才能让gcc为我们工作呢？我们将开始编写一个纸牌游戏，不过我们只是为了演示编译器的功能，所以尽可能地精简了代码。我们将从头开始一步一步地做，以便理解编译过程，了解为了制作可执行文件需要做些什么，按什么顺序做。
我们将看看如何编译C程序，以及如何使用编译选项让gcc按照我们的要求工作。步骤（以及所用工具）如下：

预编译 (gcc -E)，编译 (gcc)，汇编 (as)，和连接 (ld)。

开始...
首先，我们应该知道如何调用编译器。实际上，这很简单。我们将从那个著名的第一个C程序开始。（各位老前辈，请原谅我）。

#include <stdio.h>
int main()

{
printf("Hello World! ");
}

把这个文件保存为 game.c。你可以在命令行下编译它：
gcc game.c

在默认情况下，C编译器将生成一个名为 a.out 的可执行文件。你可以键入如下命令运行它：
a.out
Hello World

每一次编译程序时，新的 a.out 将覆盖原来的程序。你无法知道是哪个程序创建了 a.out。我们可以通过使用 -o 编译选项，告诉 gcc我们想把可执行文件叫什么名字。我们将把这个程序叫做game，我们可以使用任何名字，因为C没有Java那样的命名限制。
gcc -o game game.c
game
Hello World

到现在为止，我们离一个有用的程序还差得很远。如果你觉得沮丧，你可以想一想我们已经编译并运行了一个程序。因为我们将一点一点为这个程序添加功能，所以我们必须保证让它能够运行。似乎每个刚开始学编程的程序员都想一下子编一个1000行的程序，然后一次修改所有的错误。没有人，我是说没有人，能做到这个。你应该先编一个可以运行的小程序，修改它，然后再次让它运行。这可以限制你一次修改的错误数量。另外，你知道刚才做了哪些修改使程序无法运行，

因此你知道应该把注意力放在哪里。这可以防止这样的情况出现：你认为你编写的东西应该能够工作，它也能通过编译，但它就是不能运行。请切记，能够通过编译的程序并不意味着它是正确的。
下一步为我们的游戏编写一个头文件。头文件把数据类型和函数声明集中到了一处。这可以保证数据结构定义的一致性，以便程序的每一部分都能以同样的方式看待一切事情。
#ifndef DECK_H
#define DECK_H

#define DECKSIZE 52

typedef struct deck_t
{
int card[DECKSIZE];
/* number of cards used */
int dealt;
}deck_t;

#endif /* DECK_H */
把这个文件保存为 deck.h。只能编译 .c 文件，所以我们必须修改 game.c。在game.c的第2行，写上 #include "deck.h"。在第5行写上 deck_t deck;。为了保证我们没有搞错，把它重新编译一次。
gcc -o game game.c
如果没有错误，就没有问题。如果编译不能通过，那么就修改它直到能通过为止。

预编译
编译器是怎么知道 deck_t 类型是什么的呢？因为在预编译期间，它实际上把"deck.h"文件复制到了"game.c"文件中。源代码中的预编译指示以"#"为前缀。你可以通过在gcc后加上 -E 选项来调用预编译器。
gcc -E -o game_precompile.txt game.c
wc -l game_precompile.txt
3199 game_precompile.txt
几乎有3200行的输出！其中大多数来自 stdio.h 包含文件，但是如果你查看这个文件的话，我们的声明也在那里。如果你不用 -o 选项指定输出文件名的话，它就输出到控制台。预编译过程通过完成三个主要任务给了代码很大的灵活性。
1. 把"include"的文件拷贝到要编译的源文件中。
2. 用实际值替代"define"的文本。
3. 在调用宏的地方进行宏替换。
这就使你能够在整个源文件中使用符号常量（即用DECKSIZE表示一付牌中的纸牌数量），而符号常量是在一个地方定义的，如果它的值发生了变化，所有使用符号常量的地方都能自动更新。在实践中，你几乎不需要单独使用 -E 选项，而是让它把输出传送给编译器。

编译
作为一个中间步骤，gcc把你的代码翻译成汇编语言。它一定要这样做，它必须通过分析你的代码搞清楚你究竟想要做什么。如果你犯了语法错误，它就会告诉你，这样编译就失败了。人们有时会把这一步误解为整个过程。但是，实际上还有许多工作要gcc去做呢。

汇编
as 把汇编语言代码转换为目标代码。事实上目标代码并不能在CPU上运行，但它离完成已经很近了。编译器选项 -c 把 .c 文件转换为以 .o 为扩展名的目标文件。如果我们运行
gcc -c game.c
我们就自动创建了一个名为game.o的文件。这里我们碰到了一个重要的问题。我们可以用任意一个 .c 文件创建一个目标文件。正如我们在下面所看到的，在连接步骤中我们可以把这些目标文件组合成可执行文件。让我们继续介绍我们的例子。因为我们正在编写一个纸牌游戏，我们已经把一付牌定义为 deck_t，我们将编写一个洗牌函数。这个函数接受一个指向deck类型的指针，并把一付随机的牌装入deck类型。它使用drawn 数组跟踪记录那些牌已经用过了。这个具有DECKSIZE个元素的数组可以防止我们重复使用一张牌。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include "deck.h"

static time_t seed = 0;

void shuffle(deck_t *pdeck)
{
/* Keeps track of what numbers have been used */
int drawn[DECKSIZE] = {0};
int i;

/* One time initialization of rand */
if(0 == seed)
{
seed = time(NULL);
srand(seed);
}
for(i = 0; i < DECKSIZE; i++)
{
int value = -1;
do
{
value = rand() % DECKSIZE;
}
while(drawn[value] != 0);

/* mark value as used */
drawn[value] = 1;

/* debug statement */
printf("%i ", value);
pdeck->card[i] = value;
}
pdeck->dealt = 0;
return;
}
把这个文件保存为 shuffle.c。我们在这个代码中加入了一条调试语句，以便运行时，能输出所产生的牌号。这并没有为我们的程序添加功能，但是现在到了关键时刻，我们看看究竟发生了什么。因为我们的游戏还在初级阶段，我们没有别的办法确定我们的函数是否实现了我们要求的功能。使用那条printf语句，我们就能准确地知道现在究竟发生了什么，以便在开始下一阶段之前我们知道牌已经洗好了。在我们对它的工作感到满意之后，我们可以把那一行语句从代码中删掉。这种调试程序的技术看起来很粗糙，但它使用最少的语句完成了调试任务。以后我们再介绍更复杂的调试器。

请注意两个问题。
1. 我们用传址方式传递参数，你可以从&（取地址）操作符看出来。这把变量的机器地址传递给了函数，因此函数自己就能改变变量的值。也可以使用全局变量编写程序，但是应该尽量少使用全局变量。指针是C的一个重要组成部分，你应该充分地理解它。
2. 我们在一个新的 .c 文件中使用函数调用。操作系统总是寻找名为main的函数，并从那里开始执行。 shuffle.c 中没有main函数，因此不能编译为独立的可执行文件。我们必须把它与另一个具有main函数并调用shuffle的程序组合起来。
运行命令
gcc -c shuffle.c
并确定它创建了一个名为 shuffle.o 的新文件。编辑game.c文件，在第7行，在deck_t类型的变量 deck 声明之后，加上下面这一行：
shuffle(&deck);
现在，如果我们还象以前一样创建可执行文件，我们就会得到一个错误
gcc -o game game.c

/tmp/ccmiHnJX.o: In function `main:
/tmp/ccmiHnJX.o(.text+0xf): undefined reference to `shuffle
collect2: ld returned 1 exit status
编译成功了，因为我们的语法是正确的。但是连接步骤却失败了，因为我们没有告诉编译器shuffle函数在哪里。那么，到底什么是连接？我们怎样告诉编译器到哪里寻找这个函数呢？

连接
连接器ld，使用下面的命令，接受前面由 as 创建的目标文件并把它转换为可执行文件
gcc -o game game.o shuffle.o
这将把两个目标文件组合起来并创建可执行文件 game。
连接器从shuffle.o目标文件中找到 shuffle 函数，并把它包括进可执行文件。

目标文件的真正好处在于，如果我们想再次使用那个函数，我们所要做的就是包含"deck.h" 文件并把 shuffle.o 目标文件连接到新的可执行文件中。
象这样的代码重用是经常发生的。虽然我们并没有编写前面作为调试语句调用的printf 函数，连接器却能从我们用 #include <stdlib.h> 语句包含的文件中找到它的声明，并把存储在C库（/lib/libc.so.6）中的目标代码连接进来。这种方式使我们可以使用已能正确工作的其他人的函数，只关心我们所要解决的问题。这就是为什么头文件中一般只含有数据和函数声明，而没有函数体。一般，你可以为连接器创建目标文件或函数库，以便连接进可执行文件。我们的代码可能产生问题，因为在头文件中我们没有放入任何函数声明。为了确保一切顺利，我们还

补充：综合编程 , 安全编程 ,