文章目錄

• 概述
• 可執行檔案
• 指令碼檔案
• 編譯器初探
• 庫檔案
• 靜態編譯
• 建立靜態庫
• 動態編譯
• 建立動態庫
• 預處理
• 編譯
• 彙編
• 連結
• 結語

概述

在Linux系統中，應用程式表現為兩種檔案，一種是可執行檔案， 另一種是指令碼檔案。

可執行檔案

可執行檔案是計算機可以直接執行的程式，與windows系統的.exe程式相似，它是由原始碼經過一定的手段翻譯成計算機能夠讀懂的二進位制編碼，由計算機直接去執行，這個翻譯的過程就稱之為編譯。

指令碼檔案

指令碼檔案是一系列指令的組合，由另一個直譯器來執行，相當於windows系統的.bat檔案。
與windows系統不同之處在於，windows系統通常由字尾來決定該檔案是什麼檔案，而Linux系統則與字尾無關，而是由檔案的許可權來決定的。可以有後綴，也可以沒有後綴。
關於檔案的許可權相關，會在後續的文章中展開討論，此處就不多做說明了。

Linux應用程式目錄結構

編譯器初探

將原始碼轉換成計算機能夠識別的二進位制編碼的過程稱之為編譯，編譯使用的工具即為編譯器。
在POSIX相容的系統中，C語言編譯器被稱為c89，簡稱為cc。在Unix系統中，普遍使用的都是cc編譯器。而我們這裡討論的gcc編譯器是隨著Linux發行版一起提供的，全稱是GNU C編譯器。

普通程式的編譯

關於編譯器的使用，不妨通過一個簡單的例子來說明。
我們簡單的寫出一個C程式如下，該程式即程式設計者的入門程式hello.c：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("hello world\n");
    return 0;
}

該程式的編譯命令如下：

$ gcc -o hello hello.c

執行以上命令後，會在該目錄下生成一個名為hello的可執行檔案，使用以下命令即可執行該程式：

$ ./hello
hello world

下面來對該編譯命令做一下說明：

• -o 緊跟著的是指定編譯後可執行檔案的名稱，上述命令中，-o hello
  即指定hello為可執行檔案。如果不指定-o, 則預設生成一個叫做a.out的可執行檔案。即：上述編譯命令直接寫成gcc hello.c也是沒有問題的，不過可執行檔案變成了a.out，執行該程式就是：

$ ./a.out
hello world

• hello.c 是需要編譯的原始檔，該檔案是開發者寫好的程式碼，可以有多個，也可以只有一個。
• 在執行應用程式中，./代表的是當前目錄，如果不加./，系統會預設到PATH環境變數中去尋找，如果找不到則會報錯，如果恰巧找到了一個同名的可執行程式，程式會執行，但得到的結果並不是我們所需要的，因為它執行的並不是我們編譯好的可執行程式。

連結標頭檔案

使用C語言進行程式設計時，需要連結標頭檔案進行系統及庫函式的呼叫，這時候就需要連結標頭檔案。Linux系統常用的系統標頭檔案都存放在/usr/include目錄下，該目錄能夠被gcc編譯器自行檢索到並主動連結到程式裡。
但對於有些使用者自定義的標頭檔案，編譯器並不能搜尋到其目錄，這時候就需要在編譯的時候去指定需要連結的標頭檔案的路徑。連結標頭檔案的命令是在編譯的時加上大寫的-I，後面緊跟標頭檔案的路徑。如下所示：

$ gcc -o fred -I/usr/openwin/include fred.c

注意：-I和標頭檔案路徑之間不要有空格。

庫檔案

庫是一組預先編譯好的函式組合，其特點是可重用性好，通常由一組相互關聯的函式組成，用以執行某項任務。
系統的標準庫函式存放在/lib或者/usr/lib目錄下，與標頭檔案必須以.h作為字尾一樣，庫函式同樣也需要遵循一些規範。
庫函式必須以lib作為開頭,以.a或者.so作為結尾。其中，.a代表靜態函式庫，.so代表動態函式庫。比較典型的比如：libc.a、libm.a即代表標準C函式庫和標準數學函式庫。

靜態編譯

由於歷史原因，編譯器僅能識別標準c函式庫，部分系統庫函式，即使已經放在/usr/lib目錄下，編譯器仍然不能夠識別，這時候就需要在編譯的時候告訴編譯器使用的是哪個庫函式，編譯時可以通過給出完整的靜態庫絕對路徑的方式，或使用-l標誌來告訴編譯器你所使用的靜態庫函式。如：

$ gcc -o fred fred.c /usr/lib/libm.a
$ gcc -o fred fred.c -lm

以上兩個命令達到的效果是一樣的,可以通過ls /usr/lib命令來檢視系統的庫函式。
除此之外，使用者也可以自己定義庫函式，連結非標準位置的自定義庫函式可以通過大寫的-L標誌來實現，命令如下：

$ gcc -o xllfred  -L/usr/openwin/lib xllfred.c -lxll  

建立靜態庫

使用ar命令（archive）可以很容易地建立屬於自己的靜態庫。ar命令一般對.o的目標檔案進行操作，目標檔案可以由gcc -c命令得到。
下面就以一個具體的例子來說明一下。
首先，我們有如下兩個源程式檔案：

$ ls
main.c  print.c test.h
$ pg print.c
#include <stdio.h>

int print()
{
    printf("Hello world\n");
    return 0;
}

$ pg main.c                                                        
#include "test.h"

int main()
{
    print();
    return 0;
}

$ pg test.h
int print();

先通過gcc -c命令將其編譯成.o檔案:

$ gcc -c *.c                                                        
$ ls 
main.c  main.o  print.c  print.o  test.h

我們可以看到兩個.o的目標檔案已經成功生成。
這時候，如果我們使用以下命令，是可以直接編譯成功的：

$ gcc -o test *.o
$ ls
main.c  main.o  print.c  print.o  test.h test
$ ./test
Hello world

但是這裡由於我們是要建立靜態庫，所以可以使用ar命令來建立一個歸檔檔案:

$ ar crv libtest.a print.o
a - test2.o
$ ls
libtest.a  main.c  main.o  print.c  print.o  test  test.h

可以看到，靜態庫libtest.a已經成功建立，這時，還需要使用ranlib命令來生成一個內容表，這一步在Unix系統中必不可少，但在Linux中，當使用的是GUN開發工具時，這一步可以省略。以上步驟完成後，即可以使用下面的命令來編譯程式：

$ ranlib libtest.a
$ gcc -o testa main.o -L./ -ltest
$ ls
libtest.a  main.c  main.o  print.c  print.o  test  testa  test.h
$ ./testa
Hello world

通過以上案例，可以發現得到的效果其實是一樣的。
當然，也可以使用以下命令，得到相同的效果（這裡因為沒有連結標頭檔案，會報一個錯，但是結果沒有影響）：

$ gcc -o testb main.c -L./ -ltest  
$ ls
libtest.a  main.c  main.o  print.c  print.o  test  testa  testb  test.h
$ ./testb
Hello world

動態編譯

靜態庫有一個侷限性，當同時執行多個程式，並且這些程式都去呼叫同一個靜態庫函式時，就會出現多個函式庫副本，會佔用大量的虛擬記憶體和磁碟空間，這時候，動態庫（又叫共享庫）可以解決這個問題。
當程式使用動態庫時，其連結方式是這樣的：程式本身不包含程式碼,而是引用執行時可訪問的共享程式碼。即，只有在必要的時候，才會載入到記憶體中。
即，可以簡單的理解如下：靜態庫在編譯時就已經把記憶體給分配好了，每一次呼叫，都會分配一份記憶體。而動態庫是在執行時才會去訪問共享程式碼分配的記憶體，永遠只會存在一份，因此不會出現記憶體浪費。
動態庫的格式是以.so結尾，比如典型的有/lib/libm.so。
裝載和解析動態庫的工具是ld.so,如果需要搜尋標準位置以外的動態庫，則需要在/etc/ld.so.conf中進行配置，然後執行ldconfig來處理它。
可以使用ldd命令來檢視程式所需要的動態庫檔案，如：

$ ldd test
        linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffc0e4a8000)
        libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fd26176b000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x000056170c352000)

靜態庫與動態庫的一個明顯的區別在於：使用靜態庫編譯完成後，靜態庫被刪除，不會影響可執行檔案的執行，但是如果刪除了動態庫，可執行檔案執行就會報錯。

建立動態庫

仍然是看上面這個程式：

$ ls
libtest.a  main.c  main.o  print.c  print.o  test  testa  testb  test.h

動態編譯的命令是針對共享程式碼進行操作的，命令如下：

$ gcc -shared -fPIC -o libtest.so print.c
$ ls
libtest.a  libtest.so  main.c  main.o  print.c  print.o  test  testa  testb  test.h

這樣libtest.so就已經生成了，編譯時連結如下：

$ gcc -o testc main.c ./libtest.so
$ ls
libtest.a  libtest.so  main.c  main.o  print.c  print.o  test  testa  testb  testc  test.h
$ ./testc
Hello world

程式的編譯過程

C程式的編譯共有四個步驟組成，分別為：

• 預處理
• 編譯
• 彙編
• 連結
  

為了可以直觀的說明這個過程，我們不妨使用一個案例演示一下：
假設有兩個檔案，標頭檔案hello.h 和原始檔 hello.c:

$ ls
hello.c  hello.h
$ pg hello.h
# include<stdio.h>
$ pg hello.c
#include "hello.h"

int main()
{
    printf("Hello world\n");
    return 0;
}

預處理

預處理主要完成的工作是去註釋、標頭檔案包含和巨集替換，該步驟並不會檢查語法。預處理命令為：

$ gcc -E -I./ hello.c -o hello.i                
$ ls
hello.c  hello.h  hello.i

預處理完成後，會由.c檔案生成一個.i檔案。

編譯

編譯步驟完成的功能是將預處理之後的程式轉換為組合語言程式碼。編譯命令如下：

$ gcc -S  hello.i -o hello.s 
$ ls
hello.c  hello.h  hello.i  hello.s

這一步會將.i檔案生成為.s格式的組合語言程式碼。在該步驟中會檢查語法，如果語法有錯誤，會在這一步報出來。

彙編

彙編就是將組合語言程式處理成二進位制目標檔案。其命令如下：

$ gcc -c  hello.s -o hello.o   
$ ls
hello.c  hello.h  hello.i  hello.o  hello.s

或者使用以下命令：

$ as  hello.s -o hello.o       
$ ls
hello.c  hello.h  hello.i  hello.o  hello.s

這兩個命令實際是等價的。

連結

連結是最後一步，即將多個目標檔案，或者靜態庫檔案(.a)以及動態庫檔案(.so)連結成最後的可執行程式的過程。其命令如下：

$ gcc -o hello hello.o  
$ ls
hello  hello.c  hello.h  hello.i  hello.o  hello.s
$ ./hello
Hello world

如果使用了動態庫，可能使用到ld連結命令。

通過以上分析發現，看似簡單的一條編譯命令，其內部完成的步驟是相當複雜的，能夠理解編譯器編譯的原理，對程式設計是有相當大的幫助的。當然實際開發過程中，只需要使用以下編譯命令一步到位，它完成了以上所有四步命令的所有過程：

$ gcc -o hello hello.c
$ ./hello
hello world

結語

關於gcc編譯命令還有很多，這裡就不多做介紹了，如果有需要，可以通過man gcc或者info gcc來獲取幫助。