2.3 在Linux下開發C程序

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在平常工作中，我們都熟識了Windows系統，程序開發也習慣了在Windows環境下開發程序這一工作模式。但是，在特殊應用領域，例如單片機應用和嵌入式開發，就需要在Linux環境下開發C程序。Linux是一種計算機操作系統，是一套免費使用和自由傳播的類UNIX操作系統，它主要用于基于Intel x86系列CPU的計算機上。這個系統是由世界各地成千上萬的程序員設計和實現的。其目的是建立不受任何商品化軟件的版權制約的、全世界都能自由使用的UNIX兼容產品。

當前C語言程序最為常見的應用是嵌入式開發或單片機開發，上述應用幾乎都需要基于Linux平臺。所以，Linux環境下進行C語言開發十分普及，為此，在本節內容中簡要介紹在Linux環境下進行C語言開發的基本知識。

2.3.1 裝備GCC

在安裝GCC之前，系統中必須要有CC或者GCC等編譯器，并且是可用的，或者用環境變量CC指定系統上的編譯器。如果系統上沒有編譯器，不能安裝源代碼形式的GCC。如果是這種情況，可以在網上找一個與你系統相適應的如RPM等二進制形式的GCC軟件包來安裝使用。本文介紹的是以源代碼形式提供的GCC軟件包的安裝過程，軟件包本身和其安裝過程同樣適用于其他Linux和UNIX系統。

系統上原來的GCC編譯器可能是把gcc等命令文件、庫文件、頭文件等分別存放到系統中的不同目錄下的。與此不同，現在我們將一個版本的GCC安裝在一個單獨的目錄下。這樣做的好處是，將來不需要它的時候可以方便地刪除整個目錄即可（因為GCC沒有uninstall功能）；缺點是，在安裝完成后要做一些設置工作才能使編譯器工作正常。在本文中采用這個方案安裝GCC，并且在安裝完成后，仍然能夠使用原來低版本的GCC編譯器，即一個系統上可以同時存在并使用多個版本的GCC編譯器。

按照本文提供的步驟和設置選項，即使以前沒有安裝過GCC，也可以在系統上安裝一個可工作的新版本的GCC編譯器。下面以GCC 3.4.0版本為例，介紹具體的安裝過程。

1．下載

登錄GCC網站http://gcc.gnu.org/或者通過網上搜索查找到下載資源。可供下載的文件一般有兩種形式：.tar.gz和.tar.bz2，只是壓縮格式不一樣，內容完全一致，下載其中一種即可。

2．解壓縮

根據壓縮格式，選擇下面相應的一種方式解包（以下的“%”表示命令行提示符）：

        % tar xzvf gcc-3.4.0.tar.gz

或者：

        % bzcat gcc-3.4.0.tar.bz2 | tar xvf -

新生成的gcc-3.4.0目錄稱為源目錄，用${srcdir}表示它。以后在出現${srcdir}的地方，應該用真實的路徑來替換它。用pwd命令可以查看當前路徑。

在${srcdir}/INSTALL目錄下有詳細的GCC安裝說明，可用瀏覽器打開index.html閱讀。

3．建立目標目錄

目標目錄（用${objdir}表示）是用來存放編譯結果的地方。GCC建議編譯后的文件不要放在源目錄${srcdir]中（雖然這樣做也可以），最好單獨存放在另外一個目錄中，而且不能是${srcdir}的子目錄。

例如，可以這樣建立一個叫gcc-build的目標目錄（與源目錄${srcdir}是同級目錄）：

        % mkdir gcc-build
        % cd gcc-build

以下的操作主要是在目標目錄 ${objdir} 下進行。

4．配置

配置的目的是決定將GCC編譯器安裝到什么地方（${destdir}），支持什么語言以及指定其他一些選項等。其中，${destdir}不能與${objdir}或${srcdir}目錄相同。配置是通過執行${srcdir}下的configure來完成的。其命令格式為（記得用你的真實路徑替換${destdir}）：

        % ${srcdir}/configure --prefix=${destdir} [其他選項]

例如，如果想將GCC 3.4.0安裝到/usr/local/gcc-3.4.0目錄下，則${destdir}就表示這個路徑。

在筆者的機器上是這樣配置的：

        % ../gcc-3.4.0/configure --prefix=/usr/local/gcc-3.4.0--enable-threads=posix --disable-checking --enable--long-long
    --host=i386-redhat-linux --with-system-zlib --enable-languages=c, c++, java

將GCC安裝在/usr/local/gcc-3.4.0目錄下，支持C/C++和Java語言，其他選項參見GCC提供的幫助說明。

5．編譯

使用% make命令。

6．安裝

執行下面的命令將編譯好的庫文件等復制到${destdir}目錄中（根據你設定的路徑，可能需要管理員的權限）：

        % make install

至此，GCC 3.4.0安裝過程就完成了。

7．其他設置

GCC 3.4.0的所有文件，包括命令文件（如gcc、g++）、庫文件等都在${destdir}目錄下分別存放，如命令文件放在bin目錄下、庫文件在lib下、頭文件在include下等。由于命令文件和庫文件所在的目錄還沒有包含在相應的搜索路徑內，所以，必須要進行適當的設置之后編譯器才能順利地找到并使用它們。

? GCC、g++、gcj的設置

要想使用GCC 3.4.0的GCC等命令，簡單的方法就是把它的路徑${destdir}/bin放在環境變量PATH中。我不用這種方式，而是用符號連接的方式實現，這樣做的好處是，我仍然可以使用系統上原來的舊版本的GCC編譯器。

首先，查看原來的GCC所在的路徑：

        % which gcc

假設上述命令顯示：/usr/bin/gcc。因此，原來的GCC命令在/usr/bin目錄下。我們可以把GCC 3.4.0中的GCC、g++、gcj等命令在/usr/bin目錄下分別做一個符號連接：

        % cd /usr/bin
        % ln -s ${destdir}/bin/gcc gcc34
        % ln -s ${destdir}/bin/g++ g++34
        % ln -s ${destdir}/bin/gcj gcj34

這樣，就可以分別使用gcc34、g++34、gcj34來調用GCC 3.4.0的gcc、g++、gcj完成對C、C++、Java程序的編譯了。同時，仍然能夠使用舊版本的GCC編譯器中的gcc、g++等命令。

? 庫路徑的設置。

將${destdir}/lib路徑添加到環境變量LD_LIBRARY_PATH中，最好添加到系統的配置文件中，這樣就不必要每次都設置這個環境變量了。例如，如果GCC 3.4.0安裝在/usr/local/gcc-3.4.0目錄下，在RH Linux下可以直接在命令行上執行或者在文件/etc/profile中添加下面一句：

        setenv LD_LIBRARY_PATH /usr/local/gcc-3.4.0/lib:$LD_LIBRARY_PATH

8．測試

用新的編譯命令（gcc34、g++34等）編譯你以前的C、C++程序，檢驗新安裝的GCC編譯器是否能正常工作。

注意：根據需要，可以刪除或者保留${srcdir}和${objdir}目錄。

2.3.2 GCC基本使用介紹

Linux系統下的GCC（GNU C Compiler）是GNU推出的功能強大、性能優越的多平臺編譯器，是GNU的代表作品之一。GCC是可以在多種硬體平臺上編譯出可執行程序的超級編譯器，其執行效率與一般的編譯器相比平均效率要高20%～30%。

1．約定規則

GCC編譯器能將C、C++語言源程序、程式化程序和目標程序編譯并連接成可執行文件，如果沒有給出可執行文件的名字，GCC將生成一個名為a.out的文件。在Linux系統中，可執行文件沒有統一的后綴，系統從文件的屬性來區分可執行文件和不可執行文件。而GCC則通過后綴來區別輸入文件的類別，下面我們來介紹GCC所遵循的部分約定規則。

? .c為后綴的文件：C語言源代碼文件。

? .a為后綴的文件：是由目標文件構成的檔案庫文件。

? .C、.cc或．cxx為后綴的文件：是C++源代碼文件。

? .h為后綴的文件：是程序所包含的頭文件。

? .i為后綴的文件：是已經預處理過的C源代碼文件。

? .ii為后綴的文件：是已經預處理過的C++源代碼文件。

? .m為后綴的文件：是Objective-C源代碼文件。

? .o為后綴的文件：是編譯后的目標文件。

? .s為后綴的文件：是匯編語言源代碼文件。

? .S為后綴的文件：是經過預編譯的匯編語言源代碼文件。

2．GCC的執行過程

雖然我們稱GCC是C語言的編譯器，但使用GCC由C語言源代碼文件生成可執行文件的過程不僅僅是編譯的過程，而是要經歷4個相互關聯的步驟：預處理（也稱預編譯，Preprocessing）、編譯（Compilation）、匯編（Assembly）和連接（Linking）。

命令GCC首先調用cpp進行預處理，在預處理過程中，對源代碼文件中的文件包含（include）、預編譯語句（如宏定義define等）進行分析。接著調用cc1進行編譯，這個階段根據輸入文件生成以．o為后綴的目標文件。匯編過程是針對匯編語言的步驟，調用as進行工作，一般來講，.S為后綴的匯編語言源代碼文件和匯編、.s為后綴的匯編語言文件經過預編譯和匯編之后都生成以．o為后綴的目標文件。當所有的目標文件都生成之后，GCC就調用ld來完成最后的關鍵性工作，這個階段就是連接。在連接階段，所有的目標文件被安排在可執行程序中的恰當位置，同時，該程序所調用到的庫函數也從各自所在的檔案庫中連到合適的地方。

3．GCC的基本用法和選項

在使用GCC編譯器時，我們必須給出一系列必要的調用參數和文件名稱。GCC編譯器的調用參數大約有100多個，其中多數參數我們可能根本就用不到，這里只介紹其中最基本、最常用的參數。

GCC最基本的用法如下：

          gcc [options] [filenames]

其中options就是編譯器所需要的參數，filenames給出相關的文件名稱。其中[options]的值可以為如下所示的值。

? -c：只編譯，不連接成為可執行文件，編譯器只是由輸入的．c等源代碼文件生成．o為后綴的目標文件，通常用于編譯不包含主程序的子程序文件。

? -o output_filename：確定輸出文件的名稱為output_filename，同時這個名稱不能和源文件同名。如果不給出這個選項，GCC就給出預設的可執行文件a.out。

? -g：產生符號調試工具（GNU的gdb）所必要的符號信息，要想對源代碼進行調試，我們就必須加入這個選項。

? -O：對程序進行優化編譯、連接，采用這個選項，整個源代碼會在編譯、連接過程中進行優化處理，這樣產生的可執行文件的執行效率可以提高，但是，編譯、連接的速度就相應地要慢一些。

? -O2：比-O更好的優化編譯、連接，當然整個編譯、連接過程會更慢。

? -Idirname：將dirname所指出的目錄加入到程序頭文件目錄列表中，是在預編譯過程中使用的參數。C程序中的頭文件包含兩種情況：

A:#include；

B:#include“myinc.h”。

其中，A類使用尖括號（< >）, B類使用雙引號（“ ”）。對于A類，預處理程序cpp在系統預設包含文件目錄（如/usr/include）中搜尋相應的文件，而對于B類，cpp在當前目錄中搜尋頭文件，這個選項的作用是告訴cpp，如果在當前目錄中沒有找到需要的文件，就到指定的dirname目錄中去尋找。在程序設計中，如果我們需要的這種包含文件分別分布在不同的目錄中，就需要逐個使用-I選項給出搜索路徑。

? -Ldirname：將dirname所指出的目錄加入到程序函數檔案庫文件的目錄列表中，是在連接過程中使用的參數。在預設狀態下，連接程序ld在系統的預設路徑中（如/usr/lib）尋找所需要的檔案庫文件，這個選項告訴連接程序，首先到-L指定的目錄中去尋找，然后到系統預設路徑中尋找，如果函數庫存放在多個目錄下，就需要依次使用這個選項，給出相應的存放目錄。

? -lname：在連接時，裝載名字為“libname.a”的函數庫，該函數庫位于系統預設的目錄或者由-L選項確定的目錄下。例如，-lm表示連接名為“libm.a”的數學函數庫。

注意：因為本書的重點不是Linux，所以對此知識點到為止。