準備工作

如果你還沒裝編譯環境或自己不確定裝沒裝,不妨先執行

sudo apt-get install build-essential

如果你需要編譯 Fortran 程式,那麼還需要安裝 gfortran(或 g77)

sudo apt-get install gfortran

如果你已經瞭解一些 vim 的知識,而且想用它來編輯原始碼,那麼我們不妨裝個完整版

sudo apt-get install vim-full

如果你不瞭解vim,選擇gedit、kate或mousepad來編輯原始碼就好了

注意:本文可能會讓你失望,如果你看完後有下列疑問的話:為什麼要在終端輸命令啊? GCC 是什麼東西,怎麼在選單中找不到? GCC 不能有像 VC 那樣的視窗嗎?…… 那麼你真正想要了解的可能是 anjuta,kdevelop,geany,code blocks,eclipse,neatbean 等 IDE 整合開發環境。即使在這種情況下,由於 GCC 是以上 IDE 的後臺的編譯器,本文仍值得你稍作了解。

編譯簡單的 C 程式

C 語言經典的入門例子是 Hello World,下面是一示例程式碼:

#include <stdio.h>
int
main(void)
{
    printf("Hello, world!/n");
    return 0;
}

我們假定該程式碼存為檔案‘hello.c’。要用 gcc 編譯該檔案,使用下面的命令:

$ gcc -Wall hello.c -o hello

該命令將檔案‘hello.c’中的程式碼編譯為機器碼並存儲在可執行檔案 ‘hello’中。機器碼的檔名是通過 -o 選項指定的。該選項通常作為命令列中的最後一個引數。如果被省略,輸出檔案預設為 ‘a.out’。

注意到如果當前目錄中與可執行檔案重名的檔案已經存在,它將被複蓋。

選項 -Wall 開啟編譯器幾乎所有常用的警告──強烈建議你始終使用該選項。編譯器有很多其他的警告選項,但 -Wall 是最常用的。預設情況下GCC 不會產生任何警告資訊。當編寫 C 或 C++ 程式時編譯器警告非常有助於檢測程式存在的問題。

本例中,編譯器使用了 -Wall 選項而沒產生任何警告,因為示例程式是完全合法的。

要執行該程式,輸入可執行檔案的路徑如下:

$ ./hello
Hello, world!

這將可執行檔案載入記憶體,並使 CPU 開始執行其包含的指令。 路徑 ./ 指代當前目錄,因此 ./hello 載入並執行當前目錄下的可執行檔案 ‘hello’。

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捕捉錯誤

如上所述,當用 C 或 C++ 程式設計時,編譯器警告是非常重要的助手。為了說明這一點,下面的例子包含一個微妙的錯誤:為一個整數值錯誤地指定了一浮點數控制符‘%f’。

#include <stdio.h>
 
int
main (void)
{
    printf ("Two plus two is %f/n", 4);
    return 0;
}

一眼看去該錯誤並不明顯,但是它可被編譯器捕捉到,只要啟用了警告選項 -Wall

編譯上面的程式‘bad.c’,將得到如下的訊息:

$ gcc -Wall bad.c -o bad
bad.c: In function 'main':
bad.c:6: warning: double format, different type arg (arg 2)

這表明檔案 ‘bad.c’第 6 行中的格式字串用法不正確。GCC 的訊息總是具有下面的格式 檔名:行號:訊息。編譯器對錯誤與警告區別對待,前者將阻止編譯,後者表明可能存在的問題但並不阻止程式編譯。

本例中,對整數值來說,正確的格式控制符應該是 %d

如果不啟用 -Wall,程式表面看起來編譯正常,但是會產生不正確的結果:

$ gcc bad.c -o bad
$ ./bad
Two plus two is 2.585495

顯而易見,開發程式時不檢查警告是非常危險的。如果有函式使用不當,將可能導致程式崩潰或產生錯誤的結果。開啟編譯器警告選項 -Wall 可捕捉 C 程式設計時的多數常見錯誤。

編譯多個原始檔

一個源程式可以分成幾個檔案。這樣便於編輯與理解,尤其是程式非常大的時候。這也使各部分獨立編譯成為可能。

下面的例子中我們將程式 Hello World 分割成 3 個檔案:‘main.c’,‘hello_fn.c’和標頭檔案‘hello.h’。這是主程式‘main.c’:

#include "hello.h"
int 
main(void)
{
    hello ("world");
    return 0;
}

在先前的例子‘hello.c’中,我們呼叫的是庫函式 printf,本例中我們用一個定義在檔案‘hello_fn.c’中的函式 hello取代它。

主程式中包含有標頭檔案‘hello.h’,該標頭檔案包含函式 hello 的宣告。我們不需要在‘main.c’檔案中包含系統標頭檔案‘stdio.h’來宣告函式 printf,因為‘main.c’沒有直接呼叫 printf

檔案‘hello.h’中的宣告只用了一行就指定了函式 hello 的原型。

<span style="color: rgb(153, 51, 51);">void</span> hello <span style="color: rgb(0, 153, 0);">(</span><span style="color: rgb(153, 51, 51);">const</span> <span style="color: rgb(153, 51, 51);">char</span> <span style="color: rgb(51, 153, 51);">*</span> name<span style="color: rgb(0, 153, 0);">)</span>;

函式 hello 的定義在檔案‘hello_fn.c’中:

#include <stdio.h>
#include "hello.h"
 
void
hello (const char * name)
{
printf ("Hello, %s!/n", name);
}

語句 #include "FILE.h" 與 #include <FILE.h> 有所不同:前者在搜尋系統標頭檔案目錄之前將先在當前目錄中搜索檔案‘FILE.h’,後者只搜尋系統標頭檔案而不檢視當前目錄。

要用gcc編譯以上原始檔,使用下面的命令:

$ gcc -Wall main.c hello_fn.c -o newhello

本例中,我們使用選項 -o 為可執行檔案指定了一個不同的名字 newhello。注意到標頭檔案‘hello.h’並未在命令列中指定。原始檔中的的 #include "hello.h" 指示符使得編譯器自動將其包含到合適的位置。

要執行本程式,輸入可執行檔案的路徑名:

$ ./newhello
Hello, world!

源程式各部分被編譯為單一的可執行檔案,它與我們先前的例子產生的結果相同。

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簡單的 Makefile 檔案

為便於不熟悉 make 的讀者理解,本節提供一個簡單的用法示例。Make 憑藉本身的優勢,可在所有的 Unix 系統中被找到。要了解關於Gnu make 的更多資訊,請參考 Richard M. Stallman 和 Roland McGrath 編寫的 GNU Make 手冊。

Make 從 makefile(預設是當前目錄下的名為‘Makefile’的檔案)中讀取專案的描述。makefile指定了一系列目標(比如可執行檔案)和依賴(比如物件檔案和原始檔)的編譯規則,其格式如下:

目標: 依賴
 命令

對每一個目標,make 檢查其對應的依賴檔案修改時間來確定該目標是否需要利用對應的命令重新建立。注意到,makefile 中命令行必須以單個的 TAB 字元進行縮排,不能是空格。

GNU Make 包含許多預設的規則(參考隱含規則)來簡化 makefile 的構建。比如說,它們指定‘.o’檔案可以通過編譯‘.c’檔案得到,可執行檔案可以通過將‘.o’連結到一起獲得。隱含規則通過被叫做make變數的東西所指定,比如CC(C 語言編譯器)和 CFLAGS(C程式的編譯選項);在makefile檔案中它們通過獨佔一行的 變數=值 的形式被設定。對 C++ ,其等價的變數是CXXCXXFLAGS,而變數CPPFLAGS則是編譯預處理選項。

現在我們為上一節的專案寫一個簡單的 makefile 檔案:

CC=gcc
CFLAGS=-Wall
hello: hello.o hello_fn.o
clean:
 rm -f hello hello.o hello_fn.o

該檔案可以這樣來讀:使用 C 語言編譯器 gcc,和編譯選項‘-Wall’,從物件檔案‘hello.o’和‘hello_fn.o’生成目標可執行檔案 hello(檔案‘hello.o’和‘hello_fn.o’通過隱含規則分別由‘hello.c’和‘hello_fn.c’生成)。目標clean沒有依賴檔案,它只是簡單地移除所有編譯生成的檔案。rm命令的選項 ‘-f’(force) 抑制檔案不存在時產生的錯誤訊息。

要使用該 makefile 檔案,輸入 make。不加引數呼叫make時,makefile檔案中的第一個目標被建立,從而生成可執行檔案‘hello’:

$ make
gcc -Wall -c -o hello.o hello.c
gcc -Wall -c -o hello_fn.o hello_fn.c
gcc hello.o hello_fn.o -o hello
$ ./hello
Hello, world!

一個原始檔被修改要重新生成可執行檔案,簡單地再次輸入 make 即可。通過檢查目標檔案和依賴檔案的時間戳,程式 make 可識別哪些檔案已經修改並依據對應的規則更新其對應的目標檔案:

$ vim hello.c (開啟編輯器修改一下檔案)
$ make
gcc -Wall -c -o hello.o hello.c
gcc hello.o hello_fn.o -o hello
$ ./hello
Hello, world!

最後,我們移除 make 生成的檔案,輸入 make clean:

$ make clean
rm -f hello hello.o hello_fn.o

一個專業的 makefile檔案通常包含用於安裝(make install)和測試(make check)等額外的目標。

本文中涉及到的例子都足夠簡單以至於可以完全不需要makefile,但是對任何大些的程式都使用 make 是很有必要的。

連結外部庫

庫是預編譯的目標檔案(object files)的集合,它們可被連結程序序。靜態庫以後綴為‘.a’的特殊的存檔檔案(archive file)儲存。

標準系統庫可在目錄 /usr/lib 與 /lib 中找到。比如,在類 Unix 系統中 C 語言的數學庫一般儲存為檔案/usr/lib/libm.a。該庫中函式的原型宣告在標頭檔案 /usr/include/math.h 中。C 標準庫本身儲存為/usr/lib/libc.a,它包含 ANSI/ISO C 標準指定的函式,比如‘printf’。對每一個 C 程式來說,libc.a 都預設被連結。

下面的是一個呼叫數學庫 libm.a 中 sin 函式的的例子,建立檔案calc.c

#include <math.h>
#include <stdio.h>
 
int
main (void)
{
    double x = sin (2.0);
    printf ("The value of sin(2.0) is %f/n", x);
    return 0;
}

嘗試單獨從該檔案生成一個可執行檔案將導致一個連結階段的錯誤:

$ gcc -Wall calc.c -o calc
/tmp/ccbR6Ojm.o: In function 'main':
/tmp/ccbR6Ojm.o(.text+0x19): undefined reference to ‘sin’

函式 sin,未在本程式中定義也不在預設庫‘libc.a’中;除非被指定,編譯器也不會連結‘libm.a’。

為使編譯器能將 sin 連結進主程式‘calc.c’,我們需要提供數學庫‘libm.a’。一個容易想到但比較麻煩的做法是在命令列中顯式地指定它:

$ gcc -Wall calc.c /usr/lib/libm.a -o calc

函式庫‘libm.a’包含所有數學函式的目標檔案,比如sin,cos,exp,logsqrt。連結器將搜尋所有檔案來找到包含sin 的目標檔案。

一旦包含 sin 的目標檔案被找到,主程式就能被連結,一個完整的可執行檔案就可生成了:

$ ./calc
The value of sin(2.0) is 0.909297

可執行檔案包含主程式的機器碼以及函式庫‘libm.a’中 sin 對應的機器碼。

為避免在命令列中指定長長的路徑,編譯器為連結函式庫提供了快捷的選項‘-l’。例如,下面的命令

$ gcc -Wall calc.c -lm -o calc

與我們上面指定庫全路徑‘/usr/lib/libm.a’的命令等價。

一般來說,選項 -lNAME使連結器嘗試連結系統庫目錄中的函式庫檔案 libNAME.a。一個大型的程式通常要使用很多 -l 選項來指定要連結的數學庫,圖形庫,網路庫等。

編譯C++與Fortran

GCC 是 GNU 編譯器集合(GNU Compiler Collection)的首字母縮寫詞。GNU 編譯器集合包含 C,C++,Objective-C,Fortran,Java 和 Ada 的前端以及這些語言對應的庫(libstdc++,libgcj,……)。

前面我們只涉及到 C 語言,那麼如何用 gcc 編譯其他語言呢?本節將簡單介紹 C++ 和 Fortran 編譯的例子。

首先我們嘗試編譯簡單的 C++ 的經典程式 Hello world

#include <iostream>
int main(int argc,char *argv[])
{
    std::cout << "hello, world/n";
    return 0;
}

將檔案儲存為‘hello.cpp’,用 gcc 編譯,結果如下:

$ gcc -Wall hello.cpp -o hello
/tmp/cch6oUy9.o: In function `__static_initialization_and_destruction_0(int, int)':
hello.cpp:(.text+0x23): undefined reference to `std::ios_base::Init::Init()'
/tmp/cch6oUy9.o: In function `__tcf_0':
hello.cpp:(.text+0x6c): undefined reference to `std::ios_base::Init::~Init()'
/tmp/cch6oUy9.o: In function `main':
hello.cpp:(.text+0x8e): undefined reference to `std::cout'
hello.cpp:(.text+0x93): undefined reference to `std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*)'
/tmp/cch6oUy9.o:(.eh_frame+0x11): undefined reference to `__gxx_personality_v0'
collect2: ld returned 1 exit status

出錯了!!而且錯誤還很多,很難看懂,這可怎麼辦呢?在解釋之前,我們先試試下面的命令:

$ gcc -Wall hello.cpp -o hello -lstdc++

噫,加上-lstdc++選項後,編譯竟然通過了,而且沒有任何警告。執行程式,結果如下:

$ ./hello 
hello, world

通過上節,我們可以知道,-lstdc++ 選項用來通知連結器連結靜態庫 libstdc++.a。而從字面上可以看出,libstdc++.a 是C++ 的標準庫,這樣一來,上面的問題我們就不難理解了──編譯 C++ 程式,需要連結 C++ 的函式庫 libstdc++.a。

編譯 C 的時候我們不需要指定 C 的函式庫,為什麼 C++ 要指定呢?這是由於早期 gcc 是指 GNU 的 C 語言編譯器(GNU C Compiler),隨著 C++,Fortran 等語言的加入,gcc的含義才變化成了 GNU 編譯器集合(GNU Compiler Collection)。C作為 gcc 的原生語言,故編譯時不需額外的選項。

不過幸運的是,GCC 包含專門為 C++ 、Fortran 等語言的編譯器前端。於是,上面的例子,我們可以直接用如下命令編譯:

$ g++ -Wall hello.cpp -o hello

GCC 的 C++ 前端是 g++,而 Fortran 的情況則有點複雜:在 gcc-4.0 版本之前,Fortran 前端是 g77,而gcc-4.0之後的版本對應的 Fortran 前端則改為 gfortran。下面我們先寫一個簡單的 Fortran 示例程式:

C     Fortran 示例程式
      PROGRAM HELLOWORLD
      WRITE(*,10)
   10 FORMAT('hello, world')
      END PROGRAM HELLOWORLD

將檔案儲存‘hello.f’,用 GCC 的 Fortran 前端編譯執行該檔案

$ gfortran -Wall hello.f -o hello
$ ./hello
hello, world

我們已經知道,直接用 gcc 來編譯 C++ 時,需要連結 C++ 標準庫,那麼用 gcc 編譯 Fortran時,命令該怎麼寫呢?

$ gcc -Wall hello.f -o helloworld -lgfortran -lgfortranbegin

注意:上面這條命令與 gfortran 前端是等價的(g77 與此稍有不同)。其中庫檔案 libgfortranbegin.a (通過命令列選項 -lgfortranbegin 被呼叫) 包含執行和終止一個 Fortran 程式所必須的開始和退出程式碼。庫檔案 libgfortran.a 包含 Fortran 底層的輸入輸出等所需要的執行函式。

對於 g77 來說,下面兩條命令是等價的(注意到 g77 對應的 gcc 是 4.0 之前的版本):

$ g77 -Wall hello.f -o hello
$ gcc-3.4 -Wall hello.f -o hello -lfrtbegin -lg2c

命令列中的兩個庫檔案分別包含 Fortran 的開始和退出程式碼以及 Fortran 底層的執行函式。