如何使用gcc编译器?

GCC rules

你能想象使用封闭源代码的私有编译器编译自由软件吗?你怎么知道编译器在你的 可执行文件中加入了什么?可能会加入各种后门和木马。Ken Thompson是一个著名 的黑客,他编写了一个编译器,当编译器编译自己时,就在’login’程序中留下后门 和永久的木马。请到 这里 阅读他对 这个杰作的描述。幸运的是,我们有了gcc。当你进行 configure; make; make install 时, gcc在幕后做了很多繁重的工作。如何才能让gcc为我们工作呢?我们将开始编写一个纸牌游戏, 不过我们只是为了演示编译器的功能,所以尽可能地精简了代码。 我们将从头开始一步一步地做,以便理解编译过程,了解为了制作可执行文件需要 做些什么,按什么顺序做。我们将看看如何编译C程序,以及如何使用编译选项 让gcc按照我们的要求工作。步骤(以及所用工具)如下: 预编译 (gcc -E), 编译 (gcc), 汇编 (as),和 连接 (ld)。

 

开始…

首先,我们应该知道如何调用编译器。实际上,这很简单。我们将从那个著名的第一个C程序开始。 (各位老前辈,请原谅我)。

 

#include <stdio.h>

int main()

{
  printf("Hello World!\n");
}

把这个文件保存为 game.c。 你可以在命令行下编译它:

gcc game.c

在默认情况下,C编译器将生成一个名为 a.out 的可执行文件。 你可以键入如下命令运行它:

a.out

Hello World

每一次编译程序时,新的 a.out 将覆盖原来的程序。你无法知道是哪个 程序创建了 a.out。我们可以通过使用 -o 编译选项,告诉 gcc我们想把可执行文件叫什么名字。我们将把这个程序叫做 game,我们 可以使用任何名字,因为C没有Java那样的命名限制。

gcc -o game game.c
game
Hello World

到现在为止,我们离一个有用的程序还差得很远。如果你觉得沮丧,你可以想一想我们 已经编译并运行了一个程序。因为我们将一点一点为这个程序添加功能,所以我们必须 保证让它能够运行。似乎每个刚开始学编程的程序员都想一下子编一个1000行的程序, 然后一次修改所有的错误。没有人,我是说没有人,能做到这个。你应该先编一个可以 运行的小程序,修改它,然后再次让它运行。这可以限制你一次修改的错误数量。另外, 你知道刚才做了哪些修改使程序无法运行,因此你知道应该把注意力放在哪里。这可以 防止这样的情况出现:你认为你编写的东西应该能够工作,它也能通过编译,但它就是 不能运行。请切记,能够通过编译的程序并不意味着它是正确的。

下一步为我们的游戏编写一个头文件。头文件把数据类型和函数声明集中到了一处。 这可以保证数据结构定义的一致性,以便程序的每一部分都能以同样的方式看待一切事情。

#ifndef DECK_H
#define DECK_H

#define DECKSIZE 52

typedef struct deck_t
{
  int card[DECKSIZE];
  /* number of cards used */
  int dealt;
}deck_t;

#endif /* DECK_H */

把这个文件保存为 deck.h。只能编译 .c 文件, 所以我们必须修改 game.c。在game.c的第2行,写上 #include "deck.h"。 在第5行写上 deck_t deck;。为了保证我们没有搞错,把它重新编译一次。

gcc -o game game.c

如果没有错误,就没有问题。如果编译不能通过,那么就修改它直到能通过为止。

 

预编译

编译器是怎么知道 deck_t 类型是什么的呢?因为在预编译期间, 它实际上把”deck.h”文件复制到了”game.c”文件中。源代码中的预编译指示以”#”为前缀。 你可以通过在gcc后加上 -E 选项来调用预编译器。

gcc -E -o game_precompile.txt game.c
wc -l game_precompile.txt
  3199 game_precompile.txt

几乎有3200行的输出!其中大多数来自 stdio.h 包含文件,但是如果 你查看这个文件的话,我们的声明也在那里。如果你不用 -o 选项指定 输出文件名的话,它就输出到控制台。预编译过程通过完成三个主要任务给了代码很大的 灵活性。

  1. 把”include”的文件拷贝到要编译的源文件中。
  2. 用实际值替代”define”的文本。
  3. 在调用宏的地方进行宏替换。

这就使你能够在整个源文件中使用符号常量(即用DECKSIZE表示一付牌中的纸牌数量), 而符号常量是在一个地方定义的,如果它的值发生了变化,所有使用符号常量的地方 都能自动更新。在实践中,你几乎不需要单独使用 -E 选项,而是让它 把输出传送给编译器。  

编译

作为一个中间步骤,gcc把你的代码翻译成汇编语言。它一定要这样做,它必须通过分析 你的代码搞清楚你究竟想要做什么。如果你犯了语法错误,它就会告诉你,这样编译就失败了。 人们有时会把这一步误解为整个过程。但是,实际上还有许多工作要gcc去做呢。

 

汇编

as 把汇编语言代码转换为目标代码。事实上目标代码并不能在CPU上运行, 但它离完成已经很近了。编译器选项 -c 把 .c 文件转换为以 .o 为扩展名 的目标文件。 如果我们运行

gcc -c game.c

我们就自动创建了一个名为game.o的文件。这里我们碰到了一个重要的问题。我们可以用 任意一个 .c 文件创建一个目标文件。正如我们在下面所看到的,在连接步骤中我们可以 把这些目标文件组合成可执行文件。让我们继续介绍我们的例子。因为我们正在编写一个 纸牌游戏,我们已经把一付牌定义为 deck_t,我们将编写一个洗牌函数。 这个函数接受一个指向deck类型的指针,并把一付随机的牌装入deck类型。它使用’drawn’ 数组跟踪记录那些牌已经用过了。这个具有DECKSIZE个元素的数组可以防止我们重复使用 一张牌。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include "deck.h"

static time_t seed = 0;

void shuffle(deck_t *pdeck)
{
  /* Keeps track of what numbers have been used */
  int drawn[DECKSIZE] = {0};
  int i;

  /* One time initialization of rand */
  if(0 == seed)
  {
    seed = time(NULL);
    srand(seed);
  }
  for(i = 0; i < DECKSIZE; i++)
  {
    int value = -1;
    do
    {
      value = rand() % DECKSIZE;
    }
    while(drawn[value] != 0);

    /* mark value as used */
    drawn[value] = 1;

    /* debug statement */
    printf("%i\n", value);
    pdeck->card[i] = value;
  }
  pdeck->dealt = 0;
  return;
}

把这个文件保存为 shuffle.c。我们在这个代码中加入了一条调试语句, 以便运行时,能输出所产生的牌号。这并没有为我们的程序添加功能,但是现在到了 关键时刻,我们看看究竟发生了什么。因为我们的游戏还在初级阶段,我们没有别的 办法确定我们的函数是否实现了我们要求的功能。使用那条printf语句,我们就能准确 地知道现在究竟发生了什么,以便在开始下一阶段之前我们知道牌已经洗好了。在我们 对它的工作感到满意之后,我们可以把那一行语句从代码中删掉。这种调试程序的技术 看起来很粗糙,但它使用最少的语句完成了调试任务。以后我们再介绍更复杂的调试器。

请注意两个问题。

  1. 我们用传址方式传递参数,你可以从’&’(取地址)操作符看出来。这把变量的机器地址 传递给了函数,因此函数自己就能改变变量的值。也可以使用全局变量编写程序,但是应该 尽量少使用全局变量。指针是C的一个重要组成部分,你应该充分地理解它。
  2. 我们在一个新的 .c 文件中使用函数调用。操作系统总是寻找名为’main’的函数,并从 那里开始执行。 shuffle.c 中没有’main’函数,因此不能编译为独立的可执行文件。 我们必须把它与另一个具有’main’函数并调用’shuffle’的程序组合起来。

运行命令

gcc -c shuffle.c

并确定它创建了一个名为 shuffle.o 的新文件。编辑game.c文件,在第7行,在 deck_t类型的变量 deck 声明之后,加上下面这一行:

shuffle(&deck);

现在,如果我们还象以前一样创建可执行文件,我们就会得到一个错误

gcc -o game game.c

/tmp/ccmiHnJX.o: In function `main':
/tmp/ccmiHnJX.o(.text+0xf): undefined reference to `shuffle'
collect2: ld returned 1 exit status

编译成功了,因为我们的语法是正确的。但是连接步骤却失败了,因为 我们没有告诉编译器’shuffle’函数在哪里。 那么,到底什么是连接?我们怎样告诉编译器到哪里寻找这个函数呢?  

连接

连接器ld,使用下面的命令,接受前面由 as 创建的目标文件并把它转换为可执行文件

gcc -o game game.o shuffle.o

这将把两个目标文件组合起来并创建可执行文件 game

连接器从shuffle.o目标文件中找到 shuffle 函数,并把它包括进可执行文件。 目标文件的真正好处在于,如果我们想再次使用那个函数,我们所要做的就是包含”deck.h” 文件并把 shuffle.o 目标文件连接到新的可执行文件中。

象这样的代码重用是经常发生的。虽然我们并没有编写前面作为调试语句调用的 printf 函数,连接器却能从我们用 #include <stdlib.h> 语句包含的文件中 找到它的声明,并把存储在C库(/lib/libc.so.6)中的目标代码连接进来。 这种方式使我们可以使用已能正确工作的其他人的函数,只关心我们所要解决的问题。 这就是为什么头文件中一般只含有数据和函数声明,而没有函数体。一般,你可以为 连接器创建目标文件或函数库,以便连接进可执行文件。我们的代码可能产生问题,因为 在头文件中我们没有放入任何函数声明。为了确保一切顺利,我们还能做什么呢?

 

另外两个重要选项

-Wall 选项可以打开所有类型的语法警告,以便帮助我们确定代码是正确的, 并且尽可能实现可移植性。当我们使用这个选项编译我们的代码时,我们将看到下述警告:

game.c:9: warning: implicit declaration of function `shuffle'

这让我们知道还有一些工作要做。我们需要在头文件中加入一行代码,以便告诉编译器有关 shuffle 函数的一切,让它可以做必要的检查。听起来象是一种狡辩,但这样做 可以把函数的定义与实现分离开来,使我们能在任何地方使用我们的函数,只要包含新的头文件 并把它连接到我们的目标文件中就可以了。下面我们就把这一行加入deck.h中。

void shuffle(deck_t *pdeck);

这就可以消除那个警告信息了。

另一个常用编译器选项是优化选项 -O# (即 -O2)。 这是告诉编译器你需要什么级别的优化。编译器具有一整套技巧可以使你的代码运行得更快一点。 对于象我们这种小程序,你可能注意不到差别,但对于大型程序来说,它可以大幅度提高运行速度。 你会经常碰到它,所以你应该知道它的意思。

 

调试

我们都知道,代码通过了编译并不意味着它按我们得要求工作了。你可以使用下面的命令验证 是否所有的号码都被使用了

game | sort - n | less

并且检查有没有遗漏。如果有问题我们该怎么办?我们如何才能深入底层查找错误呢? 你可以使用调试器检查你的代码。大多数发行版都提供著名的调试器:gdb。如果那些众多的命令行选项 让你感到无所适从,那么你可以使用KDE提供的一个很好的前端工具 KDbg。 还有一些其它的前端工具,它们都很相似。要开始调试,你可以选择 File->Executable 然后找到你的 game 程序。 当你按下F5键或选择 Execution->从菜单运行时,你可以在另一个窗口中看到输出。 怎么回事?在那个窗口中我们什么也看不到。不要担心,KDbg没有出问题。问题在于我们 在可执行文件中没有加入任何调试信息,所以KDbg不能告诉我们内部发生了什么。编译器选项 -g 可以把必要的调试信息加入目标文件。你必须用这个选项编译目标文件 (扩展名为.o),所以命令行成了:

gcc -g -c shuffle.c game.c
gcc -g -o game game.o shuffle.o

这就把钩子放入了可执行文件,使gdb和KDbg能指出运行情况。调试是一种很重要的技术,很 值得你花时间学习如何使用。调试器帮助程序员的方法是它能在源代码中设置“断点”。现在你可以 用右键单击调用 shuffle 函数的那行代码,试着设置断点。那一行边上会出现一个 红色的小圆圈。现在当你按下F5键时,程序就会在那一行停止执行。按F8可以跳入shuffle函数。 呵,我们现在可以看到 shuffle.c 中的代码了!我们可以控制程序一步一步地执行, 并看到究竟发生了什么事。如果你把光标暂停在局部变量上,你将能看到变量的内容。 太好了。这比那条 printf 语句好多了,是不是?  

小结

本文大体介绍了编译和调试C程序的方法。我们讨论了编译器走过的步骤,以及为了让 编译器做这些工作应该给gcc传递哪些选项。我们简述了有关连接共享函数库的问题, 最后介绍了调试器。真正了解你所从事的工作还需要付出许多努力,但我希望本文 能让你正确地起步。你可以在 gccasldmaninfo page中 找到更多的信息。

自己编写代码可以让你学到更多的东西。作为练习你可以以本文的纸牌游戏为基础,编写 一个21点游戏。那时你可以学学如何使用调试器。使用GUI的KDbg开始可以更容易一些。 如果你每次只加入一点点功能,那么很快就能完成。切记,一定要保持程序一直能运行!

要想编写一个完整的游戏,你需要下面这些内容:

  • 一个纸牌玩家的定义(即,你可以把deck_t定义为player_t)。
  • 一个给指定玩家发一定数量牌的函数。记住在纸牌中要增加“已发牌”的数量,以便 能知道还有那些牌可发。还要记住玩家手中还有多少牌。
  • 一些与用户的交互,问问玩家是否还要另一张牌。
  • 一个能打印玩家手中的牌的函数。 card 等于value % 13 (得数为0到12),suit 等于 value / 13 (得数为0到3)。
  • 一个能确定玩家手中的value的函数。Ace的value为零并且可以等于1或11。King的value为12并且可以等于10。

 

站点链接

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该日志由 极限手指 于2013年02月16日发表在 C语言 分类下, 你可以发表评论,并在保留原文地址及作者的情况下引用到你的网站或博客。
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