ubuntu下gcc編程入門

2008年10月05日星期日10:00 A.M.







轉<快樂一刀>


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程序,那麼還需要安裝 gfortran(或g77)


sudo apt-get install gfortran

如果你已經了解一些 vim 的知識,而且想用它來編輯源代碼,那麼我們不妨裝個完整版


sudo apt-get install vim-full

如果你不了解vim,選擇gedit、kate或mousepad來編輯源代碼就好了


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,怎麼在菜單中找不到? GCC不能有像VC那樣的窗口嗎? ……那麼你真正想要了解的可能是anjuta,kdevelop,geany,code blocks,eclipse,neatbean等 IDE集成開發環境。即使在這種情況下,由於GCC是以上IDE的後台的編譯器,本文仍值得你稍作了解。



編譯簡單的C程序


C語言經典的入門例子是 Hello World,下面是一示例代碼:


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

我們假定該代碼存為文件‘hello.c’。要用 gcc 編譯該文件,使用下面的命令:


$ gcc -Wall hello.c -o hello

該命令將文件'hello.c'中的代碼編譯為機器碼並存儲在可執行文件'hello'中。機器碼的文件名是通過 -o 選項指定的。該選項通常作為命令行中的最後一個參數。如果被省略,輸出文件默認為'a.out'。


注意到如果當前目錄中與可執行文件重名的文件已經存在,它將被复蓋。


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。默認情況下GCC不會產生任何警告信息。當編寫C或C++程序時編譯器警告非常有助於檢測程序存在的問題。


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


要運行該程序,輸入可執行文件的路徑如下:


$ ./hello
Hello, world!

這將可執行文件載入內存,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文件'hello'。


點擊此處下載本節的操作視頻



捕捉錯誤


如上所述,當用C或C++編程時,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


編譯上面的程序'bad.c',將得到如下的消息:


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

這表明文件'bad.c'第6行中的格式字符串用法不正確。 GCC的消息總是具有下面的格式 文件名:行號:消息。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序編譯。


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,程序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,開發程序時不檢查警告是非常危險的。如果有函數使用不當,將可能導致程序崩潰或產生錯誤的結果。開啟編譯器警告選項 -Wall 可捕捉C編程時的多數常見錯誤。



編譯多個源文件


一個源程序可以分成幾個文件。這樣便於編輯與理解,尤其是程序非常大的時候。這也使各部分獨立編譯成為可能。


下面的例子中我們將程序 Hello World 分割成3個文件:'main.c','hello_fn.c'和頭文件'hello.h'。這是主程序‘main.c’:


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

在先前的例子'hello.c'中,我們調用的是庫函數 printf,本例中我們用一個定義在文件'hello_fn.c'中的函數 hello 取代它。


主程序中包含有頭文件'hello.h',該頭文件包含函數 hello 的聲明。我們不需要在'main.c'文件中包含系統頭文件'stdio.h'來聲明函數 printf,因為‘main.c’沒有直接調用 printf


文件'hello.h'中的聲明只用了一行就指定了函數 hello 的原型。


void hello (const char * name);

函數 hello 的定義在文件‘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"#include <FILE.h> 有所不同:前者在搜索系統頭文件目錄之前將先在當前目錄中搜索文件'FILE.h',後者只搜索系統頭文件而不查看當前目錄。


要用gcc編譯以上源文件,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 為可執行文件指定了一個不同的名字 newhello。注意到頭文件'hello.h'並未在命令行中指定。源文件中的的 #include "hello.h" 指示符使得編譯器自動將其包含到合適的位置。


要運行本程序,輸入可執行文件的路徑名:


$ ./newhello
Hello, world!

源程序各部分被編譯為單一的可執行文件,它與我們先前的例子產生的結果相同。


點擊此處下載本節的操作視頻



簡單的Makefile文件


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的更多信息,請參考Richard M. Stallman和Roland McGrath編寫的 GNU Make 手冊。


Make從 makefile(默認是當前目錄下的名為'Makefile'的文件)中讀取項目的描述。 makefile指定了一系列目標(比如可執行文件)和依賴(比如對象文件和源文件)的編譯規則,其格式如下:


目標:依賴
命令

對每一個目標,make檢查其對應的依賴文件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 字符進行縮進,不能是空格。


GNU Make包含許多默認的規則(參考隱含規則)來簡化makefile的構建。比如說,它們指定‘.o’文件可以通過編譯‘.c'文件得到,可執行文件可以通過將'.o’鏈接到一起獲得。隱含規則通過被叫做make變量的東西所指定,比如 CC(C語言編譯器)和 CFLAGS(C程序的編譯選項);在makefile文件中它們通過獨占一行的 變量=值 的形式被設置。對 C++ ,其等價的變量是CXXCXXFLAGS,而變量CPPFLAGS則是編譯預處理選項。


現在我們為上一節的項目寫一個簡單的makefile文件:


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

該文件可以這樣來讀:使用C語言編譯器 gcc,和編譯選項'-Wall',從對象文件'hello.o'和'hello_fn.o'生成目標可執行文件 hello(文件'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沒有依賴文件,它只是簡單地移除所有編譯生成的文件。rm命令的選項'-f'(force)抑製文件不存在時產生的錯誤消息。


要使用該makefile文件,輸入 make。不加參數調用make時,makefile文件中的第一個目標被建立,從而生成可執行文件'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!

一個源文件被修改要重新生成可執行文件,簡單地再次輸入 make 即可。通過檢查目標文件和依賴文件的時間戳,程序make可識別哪些文件已經修改並依據對應的規則更新其對應的目標文件:


$ vim hello.c (打開編輯器修改一下文件)
$ 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生成的文件,輸入make clean:


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

一個專業的makefile文件通常包含用於安裝(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序都使用make是很有必要的。



鏈接外部庫


庫是預編譯的目標文件(object files)的集合,它們可被鏈接進程序。靜態庫以後綴為‘.a’的特殊的存檔文件(archive file)存儲。


標準系統庫可在目錄 /usr/lib/lib 中找到。比如,在類Unix系統中C語言的數學庫一般存儲為文件 /usr/lib/libm.a。該庫中函數的原型聲明在頭文件 /usr/include/math.h 中。 C標準庫本身存儲為 /usr/lib/libc.a,它包含ANSI/ISO C標準指定的函數,比如'printf'。對每一個C程序來說,libc.a都默認被鏈接。


下面的是一個調用數學庫 libm.asin 函數的的例子,創建文件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;
}

嘗試單獨從該文件生成一個可執行文件將導致一個鏈接階段的錯誤:


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

函數 sin,未在本程序中定義也不在默認庫'libc.a'中;除非被指定,編譯器也不會鏈接'libm.a'。


為使編譯器能將 sin 鏈接進主程序'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行中顯式地指定它:


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

函數庫'libm.a'包含所有數學函數的目標文件,比如sin,cos,exp,logsqrt。鏈接器將搜索所有文件來找到包含 sin 的目標文件。


一旦包含 sin 的目標文件被找到,主程序就能被鏈接,一個完整的可執行文件就可生成了:


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

可執行文件包含主程序的機器碼以及函數庫'libm.a'中 sin 對應的機器碼。


為避免在命令行中指定長長的路徑,編譯器為鏈接函數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使鏈接器嘗試鏈接系統庫目錄中的函數庫文件 libNAME.a。一個大型的程序通常要使用很多 -l 選項來指定要鏈接的數學庫,圖形庫,網絡庫等。



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++的經典程序 Hello world


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

將文件保存為'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。運行程序,結果如下:


$ ./hello 
hello, world

通過上節,我們可以知道,-lstdc++選項用來通知鏈接器鏈接靜態庫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++程序,需要鏈接C++的函數庫libstdc++.a。


編譯C的時候我們不需要指定C的函數庫,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示例程序:


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

將文件保存'hello.f',用GCC的Fortran前端編譯運行該文件


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

我們已經知道,直接用gcc來編譯C++時,需要鏈接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)。其中庫文件libgfortranbegin.a (通過命令行選項-lgfortranbegin被調用)包含運行和終止一個Fortran程序所必須的開始和退出代碼。庫文件libgfortran.a包含Fortran底層的輸入輸出等所需要的運行函數。


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

命令行中的兩個庫文件分別包含Fortran的開始和退出代碼以及Fortran底層的運行函數。


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