开放、自由和灵活是Linux的魅力所在,而这一点在GCC上的体现就是程序员通过它能够更好地控制整个编译过程。在使用GCC编译程序时,编译过程可以被细分为四个阶段:
◆ 预处理(Pre-Processing)
◆ 编译(Compiling)
◆ 汇编(Assembling)
◆ 链接(Linking)
Linux程序员可以根据自己的需要让GCC在编译的任何阶段结束,以便检查或使用编译器在该阶段的输出信息,或者对最后生成的二进制文件进行控制,以便通过加入不同数量和种类的调试代码来为今后的调试做好准备。和其它常用的编译器一样,GCC也提供了灵活而强大的代码优化功能,利用它可以生成执行效率更高的代码。
GCC提供了30多条警告信息和三个警告级别,使用它们有助于增强程序的稳定性和可移植性。此外,GCC还对标准的C和C++语言进行了大量的扩展,提高程序的执行效率,有助于编译器进行代码优化,能够减轻编程的工作量。
GCC起步
在学习使用GCC之前,下面的这个例子能够帮助用户迅速理解GCC的工作原理,并将其立即运用到实际的项目开发中去。首先用熟悉的编辑器输入清单1所示的代码:
清单1:hello.c
#include int main(void) { printf ("Hello world, Linux programming!\n"); return 0; } |
# gcc hello.c -o hello # ./hello Hello world, Linux programming! |
为了更好地理解GCC的工作过程,可以把上述编译过程分成几个步骤单独进行,并观察每步的运行结果。第一步是进行预编译,使用-E参数可以让GCC在预处理结束后停止编译过程:
# gcc -E hello.c -o hello.i |
# gcc -c hello.i -o hello.o |
# gcc hello.o -o hello |
# gcc foo1.c foo2.c -o foo |
# gcc -c foo1.c -o foo1.o # gcc -c foo2.c -o foo2.o # gcc foo1.o foo2.o -o foo |
警告提示功能
GCC包含完整的出错检查和警告提示功能,它们可以帮助Linux程序员写出更加专业和优美的代码。先来读读清单2所示的程序,这段代码写得很糟糕,仔细检查一下不难挑出很多毛病:
◆main函数的返回值被声明为void,但实际上应该是int;
◆使用了GNU语法扩展,即使用long long来声明64位整数,不符合ANSI/ISO C语言标准;
◆main函数在终止前没有调用return语句。
清单2:illcode.c
#include void main(void) { long long int var = 1; printf("It is not standard C code!\n"); } |
# gcc -pedantic illcode.c -o illcode illcode.c: In function `main': illcode.c:9: ISO C89 does not support `long long' illcode.c:8: return type of `main' is not `int' |
除了-pedantic之外,GCC还有一些其它编译选项也能够产生有用的警告信息。这些选项大多以-W开头,其中最有价值的当数-Wall了,使用它能够使GCC产生尽可能多的警告信息:
# gcc -Wall illcode.c -o illcode illcode.c:8: warning: return type of `main' is not `int' illcode.c: In function `main': illcode.c:9: warning: unused variable `var' |
在处理警告方面,另一个常用的编译选项是-Werror,它要求GCC将所有的警告当成错误进行处理,这在使用自动编译工具(如Make等)时非常有用。如果编译时带上-Werror选项,那么GCC会在所有产生警告的地方停止编译,迫使程序员对自己的代码进行修改。只有当相应的警告信息消除时,才可能将编译过程继续朝前推进。执行情况如下:
# gcc -Wall -Werror illcode.c -o illcode cc1: warnings being treated as errors illcode.c:8: warning: return type of `main' is not `int' illcode.c: In function `main': illcode.c:9: warning: unused variable `var' |
库依赖
在Linux下开发软件时,完全不使用第三方函数库的情况是比较少见的,通常来讲都需要借助一个或多个函数库的支持才能够完成相应的功能。从程序员的角度看,函数库实际上就是一些头文件(.h)和库文件(.so或者.a)的集合。虽然Linux下的大多数函数都默认将头文件放到/usr/include/目录下,而库文件则放到/usr/lib/目录下,但并不是所有的情况都是这样。正因如此,GCC在编译时必须有自己的办法来查找所需要的头文件和库文件。
GCC采用搜索目录的办法来查找所需要的文件,-I选项可以向GCC的头文件搜索路径中添加新的目录。例如,如果在/home/xiaowp/include/目录下有编译时所需要的头文件,为了让GCC能够顺利地找到它们,就可以使用-I选项:
# gcc foo.c -I /home/xiaowp/include -o foo |
# gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -lfoo -o foo |
值得好好解释一下的是-l选项,它指示GCC去连接库文件libfoo.so。Linux下的库文件在命名时有一个约定,那就是应该以lib三个字母开头,由于所有的库文件都遵循了同样的规范,因此在用-l选项指定链接的库文件名时可以省去lib三个字母,也就是说GCC在对-lfoo进行处理时,会自动去链接名为libfoo.so的文件。
Linux下的库文件分为两大类分别是动态链接库(通常以.so结尾)和静态链接库(通常以.a结尾),两者的差别仅在程序执行时所需的代码是在运行时动态加载的,还是在编译时静态加载的。默认情况下,GCC在链接时优先使用动态链接库,只有当动态链接库不存在时才考虑使用静态链接库,如果需要的话可以在编译时加上-static选项,强制使用静态链接库。例如,如果在/home/xiaowp/lib/目录下有链接时所需要的库文件libfoo.so和libfoo.a,为了让GCC在链接时只用到静态链接库,可以使用下面的命令:
# gcc foo.c -L /home/xiaowp/lib -static -lfoo -o foo |
代码优化指的是编译器通过分析源代码,找出其中尚未达到最优的部分,然后对其重新进行组合,目的是改善程序的执行性能。GCC提供的代码优化功能非常强大,它通过编译选项-On来控制优化代码的生成,其中n是一个代表优化级别的整数。对于不同版本的GCC来讲,n的取值范围及其对应的优化效果可能并不完全相同,比较典型的范围是从0变化到2或3。
编译时使用选项-O可以告诉GCC同时减小代码的长度和执行时间,其效果等价于-O1。在这一级别上能够进行的优化类型虽然取决于目标处理器,但一般都会包括线程跳转(Thread Jump)和延迟退栈(Deferred Stack Pops)两种优化。选项-O2告诉GCC除了完成所有-O1级别的优化之外,同时还要进行一些额外的调整工作,如处理器指令调度等。选项-O3则除了完成所有-O2级别的优化之外,还包括循环展开和其它一些与处理器特性相关的优化工作。通常来说,数字越大优化的等级越高,同时也就意味着程序的运行速度越快。许多Linux程序员都喜欢使用-O2选项,因为它在优化长度、编译时间和代码大小之间,取得了一个比较理想的平衡点。
下面通过具体实例来感受一下GCC的代码优化功能,所用程序如清单3所示。
清单3:optimize.c
#include int main(void) { double counter; double result; double temp; for (counter = 0; counter < 2000.0 * 2000.0 * 2000.0 / 20.0 + 2020; counter += (5 - 1) / 4) { temp = counter / 1979; result = counter; } printf("Result is %lf\n", result); return 0; } |
# gcc -Wall optimize.c -o optimize |
# time ./optimize Result is 400002019.000000 real 0m14.942s user 0m14.940s sys 0m0.000s |
# gcc -Wall -O optimize.c -o optimize |
# time ./optimize Result is 400002019.000000 real 0m3.256s user 0m3.240s sys 0m0.000s |
优化虽然能够给程序带来更好的执行性能,但在如下一些场合中应该避免优化代码:
◆ 程序开发的时候 优化等级越高,消耗在编译上的时间就越长,因此在开发的时候最好不要使用优化选项,只有到软件发行或开发结束的时候,才考虑对最终生成的代码进行优化。
◆ 资源受限的时候 一些优化选项会增加可执行代码的体积,如果程序在运行时能够申请到的内存资源非常紧张(如一些实时嵌入式设备),那就不要对代码进行优化,因为由这带来的负面影响可能会产生非常严重的后果。
◆ 跟踪调试的时候 在对代码进行优化的时候,某些代码可能会被删除或改写,或者为了取得更佳的性能而进行重组,从而使跟踪和调试变得异常困难。
调试
一个功能强大的调试器不仅为程序员提供了跟踪程序执行的手段,而且还可以帮助程序员找到解决问题的方法。对于Linux程序员来讲,GDB(GNU Debugger)通过与GCC的配合使用,为基于Linux的软件开发提供了一个完善的调试环境。
默认情况下,GCC在编译时不会将调试符号插入到生成的二进制代码中,因为这样会增加可执行文件的大小。如果需要在编译时生成调试符号信息,可以使用GCC的-g或者-ggdb选项。GCC在产生调试符号时,同样采用了分级的思路,开发人员可以通过在-g选项后附加数字1、2或3来指定在代码中加入调试信息的多少。默认的级别是2(-g2),此时产生的调试信息包括扩展的符号表、行号、局部或外部变量信息。级别3(-g3)包含级别2中的所有调试信息,以及源代码中定义的宏。级别1(-g1)不包含局部变量和与行号有关的调试信息,因此只能够用于回溯跟踪和堆栈转储之用。回溯跟踪指的是监视程序在运行过程中的函数调用历史,堆栈转储则是一种以原始的十六进制格式保存程序执行环境的方法,两者都是经常用到的调试手段。
GCC产生的调试符号具有普遍的适应性,可以被许多调试器加以利用,但如果使用的是GDB,那么还可以通过-ggdb选项在生成的二进制代码中包含GDB专用的调试信息。这种做法的优点是可以方便GDB的调试工作,但缺点是可能导致其它调试器(如DBX)无法进行正常的调试。选项-ggdb能够接受的调试级别和-g是完全一样的,它们对输出的调试符号有着相同的影响。
需要注意的是,使用任何一个调试选项都会使最终生成的二进制文件的大小急剧增加,同时增加程序在执行时的开销,因此调试选项通常仅在软件的开发和调试阶段使用。调试选项对生成代码大小的影响从下面的对比过程中可以看出来:
# gcc optimize.c -o optimize # ls optimize -l -rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 11649 Nov 20 08:53 optimize (未加调试选项) # gcc -g optimize.c -o optimize # ls optimize -l -rwxrwxr-x 1 xiaowp xiaowp 15889 Nov 20 08:54 optimize (加入调试选项) |
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推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:52