Linux环境编程

参考课程

参考书目：

gcc/g++编译命令

基本编译流程：预处理 → 编译 → 汇编 → 链接

1. 预处理：处理宏、头文件、条件编译等
   • 展开所有宏定义
   • 处理所有#include指令
   • 处理条件编译指令(#ifdef, #ifndef, #if, #else, #endif)
   • 删除所有注释
   • 添加行号和文件名标识（可使用-P去除）
   • 保留#pragma指令
2. 编译：将预处理后的代码转换为汇编语言
   • 词法分析和语法分析
   • 语义分析
   • 中间代码生成
   • 代码优化
   • 生成目标平台的汇编代码
3. 汇编：将汇编代码转换为机器码（目标文件）
   • 将汇编指令翻译为机器指令
   • 生成可重定位的目标文件(.o文件)
   • 生成符号表
   • 处理标签和地址引用
4. 链接：将多个目标文件和库文件连接成可执行文件
   • 符号解析（解决未定义的引用）
   • 重定位（调整地址引用）
   • 合并代码和数据段
   • 链接启动代码和库文件
   • 生成最终的可执行文件格式

命令选项

选项	描述	示例
-o <file>	指定输出文件名	gcc -o program main.c
-E	只预处理，不编译	gcc -E main.c -o main.i
-S	生成汇编代码	gcc -S main.c -o main.s
-c	编译生成机器码不链接	gcc -c main.c -o main.o
-save-temps	保存所有中间文件	gcc -save-temps main.c -o program
-pipe	使用管道代替临时文件	gcc -pipe main.c -o program

优化级别选项：

选项	描述	效果
-O0	不优化（默认）	编译快，调试方便
-O1	基本优化	减少代码大小和执行时间
-O2	更多优化（推荐）	包括所有不涉及空间换时间的优化
-O3	激进优化	包括向量化等高级优化
-Os	优化代码大小	优先减小可执行文件大小
-Ofast	快速优化	可能违反严格标准
-Og	优化调试体验	在保持可调试性的同时优化

如果使用了优化选项：

• 编译的时间将更长；
• 目标程序不可调试；
• 有效果，但是不可能显著提升程序的性能。(关键还是要看源代码的实现)

目标文件 vs 可执行文件

特性	目标文件 (.o/.obj)	可执行文件
文件扩展名	.o (Unix/Linux) .obj (Windows)	无扩展名 (Linux) .exe (Windows)
文件类型	可重定位目标文件	可执行目标文件
链接状态	未链接	已完全链接
能否直接运行	❌ 不能直接执行	✅ 可以直接运行
地址引用	相对地址/未解析符号	绝对地址/已解析符号
包含内容	单个模块的代码和数据	完整程序的所有代码和数据
段结构	需要重定位的段	加载到内存的最终段
依赖关系	依赖其他目标文件/库	可能依赖动态库，但独立运行

示例：将hello.c编译为可执行文件hello

# 第1步：预处理
gcc -E hello.c -o hello.i

# 第2步：编译为汇编
gcc -S hello.i -o hello.s

# 第3步：汇编为目标文件
gcc -c hello.s -o hello.o

# 第4步：链接为可执行文件
gcc hello.o -o hello
# 运行程序
./hello

# 一步完成所有步骤（对比）
gcc hello.c -o hello_one_step

静态库、动态库

一般来讲，通用的函数和类不提供源代码文件，而是编译成二进制文件。

库的二进制文件：

• 静态库
• 动态库

如果动态库和静态库同时存在，编译器将优先使用动态库。

静态库

• 文件扩展名: .a (Unix/Linux), .lib (Windows)
• 本质: 多个目标文件(.o)的归档文件
• 链接时机: 编译/链接时
• 特点:
  • 程序在编译时会把库文件的二进制代码链接到目标程序中
  • 库代码被复制到最终的可执行文件中
  • 如果多个程序中用到了同一静态库中的函数或类，就会存在多份拷贝
  • 静态库的链接是在编译时期完成的，执行的时候代码加载速度快。
  • 生成的目标程序的可执行文件比较大，浪费空间。
  • 程序的更新和发布不方便，如果某一个静态库更新了，所有使用它的程序都需要重新编译

创建方式

g++ -c -o lib库名.a 源代码文件清单

g++ -c -o libpublic.a  public.cpp
#会生成libpublic.a  是一个二进制文件

使用方式

g++ 选项 源代码文件名清单 -l库名 -L库文件所在的目录名

g++ -o demo01 demo01.cpp -lpublic -L/home/wucz/tools

动态库

• 文件扩展名: .so (Unix/Linux), .dll (Windows), .dylib (macOS)
• 本质: 独立的可执行代码模块
• 链接时机: 运行时
• 特点:
  • 可执行文件只包含引用，运行时动态加载
  • 如果多个进程中用到了同一动态库中的函数或类，那么在内存中只有一份，避免了空间浪费问题
  • 程序在运行的过程中，需要用到动态库的时候才把动态库的二进制代码载入内存。
  • 可以实现进程之间的代码共享，因此动态库也称为共享库。
  • 程序升级比较简单，不需要重新编译程序，只需要更新(重新制作)动态库就行了。

创建方式

g++ -fPIC -shared -o lib库名.so 源代码文件清单

g++ -fPIC -shared -o libpublic.so public.cpp
gcc -fPIC -shared -o libmath.so mathlib.c

选项	全称	含义	作用阶段
-fPIC	Position Independent Code	生成位置无关代码	编译阶段
-shared	Shared Library	生成共享库（动态库）	链接阶段

使用方式

运行可执行程序的时候，需要提前设置LD_LIBRARY_PATH环境变量，即指定动态库的目录

g++ 选项 源代码文件名清单 -l库名 -L库文件所在的目录名

g++ -o demo01  demo01.cpp -lpublic -L/home/wucz/tools

makefile