嵌入式 Linux 入门第十课,聊聊 linux 下的 C 编程...... 矜辰所致
插一句,问题讨论群在文末的推广,以后大家提问可以在群中,即便我不在也能看到历史记录。
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前言
在前面的 Linux 系列入门文章中,我们基本熟悉了 Linux 系统的基本操作、命令以及软件环境相关的知识。
而且我还花了一些时间讲了 嵌入式 Linux 从 0 到 1 的环境搭建,具体可查看专栏:嵌入式 Linux 环境篇 。
我们最终的目的是嵌入式开发,那么不管怎么学习 Linux 操作系统,怎么搭建环境,最终还是为最后的目的 编程 服务的。
相对于使用 Windows 开发的熟悉的 MDK 、IAR 集成开发环境而言,Linux 下的 C 编程是怎样的呢?
那么本文我们就来说明一下 Linux 下的 C 语言编程。
❤️ >嵌入式 Linux 入门系列博文:
嵌入式 Linux 入门(一、Linux 基本介绍及文件结构)
嵌入式 Linux 入门(二、Linux 文件系统、文件类型及权限管理)
嵌入式 Linux 入门(三、Linux Shell 及常用命令说明)
嵌入式 Linux 入门(四、Linux 下的编辑器 — 让人爱恨交加的 vi )
嵌入式 Linux 入门(五、Shell 脚本编程上:认识 Shell 脚本)
嵌入式 Linux 入门(六、Shell 脚本编程下:Shell 脚本语法)
嵌入式 Linux 入门(七、Linux 下的环境变量)
嵌入式 Linux 入门(八、Linux 下的软件安装)
嵌入式 Linux 入门(九、Linux 下的磁盘管理)
.
我是矜辰所致,全网同名,尽量用心写好每一系列文章,不浮夸,不将就,认真对待学知识的我们,矜辰所致,金石为开!
一、C 语言编译过程
本小节主要是复习一下容易被遗忘的 C 语言编译过程。
C 语言的编译过程,在我们学习 C 语言的时候,应该都有学习过,但是正常的到了工作后,有一些朋友习惯了集成开发环境以后,基本上完全忘了这个过程了。
我们说简单直白一点,我们做一个简单的 C 程序至少需要 2 个步骤:
1、编辑代码(需要用到编辑器);
2、编译代码(需要用到编译器);
对于第一点编辑器,就是 写代码的工具,比如 VScode ,Sourceinsight ,Vim 等等,我们在 linux 下可以使用 Vscode ,Vim ,甚至我们可以在熟悉的 windows 环境下编辑好了代码,拷贝至 Linux
环境进行最后的编译。
集成开发环境,一般都集成了编辑器,编译器,而且在使用过程中,编译都是一键操作,以至于我们甚至都可以不用关心编译过程,也导致了我们有些朋友慢慢的忘了 C 语言的完整的编译过程。
C 语言的编译主要分为 4个阶段:
预处理 ——> 编译 ——> 汇编 ——> 链接
预编译(预处理器)
该阶段主要完成#符号后面的各项内容到源文件的替换,由预处理器完成,产生的是预处理文件(
.i
)。
- 处理所有的注释,以空格代替
- 将所有的 #define 删除,并且展开所有的宏定义
- 处理条件编译指令 #if, #ifdef, #elif, #else, #endif
- 处理 #include, 展开被包含的文件
- 保留编译期需要使用的 #pragma 指令
编译(编译器)
将 C 语言 编译 变成 汇编代码,由编译器完成,产生的是汇编文件(
.s
)。
对预处理文件进行词法分析,语法分析和语义分析
- 语法分析:分析关键字,标识符,立即数等是否合法
- 语法分析:分析表达式是否遵循语法规则
- 语义分析:在语法分析的基础上进一步分析表达式是否合法
分析结束后进行 代码优化 生成相应的 汇编代码文件
汇编
将汇编代码翻译成机器码指令,并将这些指令打包形成可重定位的目标文件,由汇编器完成,产生的是目标文件(
.o
)。
- 汇编器将汇编代码转变为机器的可执行指令
- 每条汇编语句几乎都对应一条机器指令
链接
该阶段完成文件中调用的各种函数、静态库和动态库的链接,将目标文件最终链接为可执行程序,由链接器完成,产生的是目标文件(
.o
)。
- 静态链接:目标文件 直接连接进入可执行程序(小工程项目常用方式)
- 动态连接:在程序 启动后在动态加载目标文件(大型软件系统,方便更新局部功能,使用很多动态库,然后更新的时候,只需要更新相应的库文件,程序运行过程中加载的库文件)
链接(Link)其实就是一个“打包”的过程,它将所有二进制形式的目标文件和系统组件组合成一个可执行文件 。
C 语言编译的最终目的将开发者认识而CPU不认识的 C 语言代码转换成 CPU 能够识别的二进制指令。
二、Linux 下的 C 编译器
在前面的 Linux 学习文章中,我们提到过 在 Linux 下的 C 语言编译工具为 GCC 编译工具链。
而且在我以前的一些博文中,在 Windows 下就已经开始使用 GCC 编辑工具链了:
在window下使用 VScode 搭建 ARM 开发环境—— 详细版
对于使用集成开发环境来说我们使用的 Keil 中,使用的编译器为 ARMCC , IAR也有自己单独的编译器:
GCC(GCC FOR ARM)ARMCCIAR说明独立提供随其IDE发布,也可以独立提供随其IDE发布,不独立提供平台Windows、Linux、MacWindows、LinuxWindowsIDE很多平台可配置的编译器,比如eclipse、Visual StudioKeil MDKIAR EMBEDDED开发商ARM、Linaro、MentorARMIAR花费免费收费收费
说明:这里我们与 Keil 和 IAR 比较的是 GCC for ARM (针对 ARM 平台的编译器),属于 GCC 工具链的成员,这个我们下面会说明。
对于我们后面的 嵌入式 Linux 开发来说,我们的编译器 GCC 编译工具链。
2.1 GCC 简介
GCC(GNU Compiler Collection,GNU编译器套件)是由GNU开发的编程语言编译器。
GCC 的基本概念我们这里就不过多介绍了,基本的概念性介绍网上搜一下就能够找到很多。
简单的记住几个点就行了:
- 免费,你可以免费使用修改;
- GCC 是一个可移植的编译器,可运行在很多平台上;
- GCC 可以在一个平台上编译另外一个平台运行的软件;
- GCC 支持多种语言
- GCC 是模块化的,当出现新的语言,为新语言开发一个支持新语言的前端,GCC 即可支持该语言。
我们在前面的课程已经在虚拟机里安装好了 GCC ,包括下面要将的 GCC FOR ARM 交叉编译器。
嵌入式 Linux 入门 环境篇(四、必备开发工具安装)
本文的关键在于知道 GCC 是什么,了解 GCC 的基本使用。
2.2 GCC 的基本使用
首先我们写一个简单的 Hello world 程序 :
int main(int argc,char* argv[ ])
允许在执行时写参数,这种格式是固定写法。
1、C 语言规定 main 函数的参数只能有两个,还规定argc
必须是整型变量,
argv
必须是指向字符串的指针数组。
2、argc
是命令行总的参数个数。
3、char *argv[ ]
是指针数组,数组中的每个元素都是
char *
类型,即数组中每个元素都会指向一个字符串。
出错了,找不到
stdio.h
文件,如下图:
因为是新装的系统,我们需要安装一下基本的编译工具
build-essential
:
sudoapt-getinstall build-essential
如下图:
安装完成以后我们再次编译,然后可以看到正常的编译,然后可以正常运行:
上面我们直接使用
gcc [目标文件]
方式运行,并没有加任何选项,这样子的默认编译产生的文件都会命名为
a.out
。
那么如何制定生成我们所需要的名字的目标文件呢? 使用指令:
gcc [目标文件] -o [想要生产的文件名字]
比如上面的 hello.c ,我们指定一下编译后的名字:
以上的例子我们完成了单个程序的编译和运行,很简单的程序编译和运行,看上去是不是甚至比在 windows 环境中使用某些 IDE 操作起来更加方便。
2.3 GCC 常用编译选项
在上面的示例中,我们使用了一个
-o
选项,在 GCC 编译过程中,我们可以加入不同的选项满足不同的编译需求。
下面列出对于初学者需要了解的选项:
常用选项描述-c把预处理、编译、汇编都做了,但是不链接。只编译不链接为可执行文件,编译器将输入的.c 文件编译为.o 的目标文件,通常用于编译不包含主程序的子程序文件。-o-o output_filename 指定输出文件-I指定头文件目录-E预处理,开发过程中想快速确定某个宏可以使用“-E -dM”-S编译后即停止,不进行汇编。对于每个输入的非汇编语言文件,输出结果是汇编语言文件。缺省情况下,GCC通过用
.s'
替换源文件名后缀
.c',
.i’等等,产生汇编文件名。-L指定链接时库文件目录-l指定链接哪一个库文件-g添加调试信息,如果要使用调试工具(如GDB)的话就必须加入此选项,此选项指示编译的时候生成调试所需的符号信息。-O对程序进行优化编译,如果使用此选项的话整个源代码在编译、链接的的时候都会进行优化,这样产生的可执行文件执行效率就高。-O2比-O更幅度更大的优化,生成的可执行效率更高,但是整个编译过程会很慢。
2.4 GCC 的编译过程
我们前面说过,一个C 文件要经过预处理、编译、汇编 和 链接才能变成可执行文件 :
在我们使用 GCC 编译的时候,可以通过 GCC 的选项控制编译的这些过程 。
我们先把上面的示例修改一下,简单的添加几个宏定义,和条件编译,如下图:
完成以后正常的编译结果:
上面的 gcc 编译是一部直接生成了可执行文件,我们可以加上一个选项
-v
可以打印出互详细的编译过程:
我们这里把这个过程复制出来如下:
qzh@ubuntu:~/c_test$ gcc hello.c -o whatevername -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/lto-wrapper
OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none:amdgcn-amdhsa
OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-11/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++,m2 --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-11 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --enable-libphobos-checking=release --with-target-system-zlib=auto --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --enable-cet --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none=/build/gcc-11-gBFGDP/gcc-11-11.2.0/debian/tmp-nvptx/usr,amdgcn-amdhsa=/build/gcc-11-gBFGDP/gcc-11-11.2.0/debian/tmp-gcn/usr --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu --with-build-config=bootstrap-lto-lean --enable-link-serialization=2
Thread model: posix
Supported LTO compression algorithms: zlib zstd
gcc version 11.2.0 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1)COLLECT_GCC_OPTIONS='-o''whatevername''-v''-mtune=generic''-march=x86-64''-dumpdir''whatevername-'
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpdir whatevername- -dumpbase hello.c -dumpbase-ext .c -mtune=generic -march=x86-64 -version -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -fstack-clash-protection -fcf-protection -o /tmp/ccogl6jG.s
GNU C17 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) version 11.2.0 (x86_64-linux-gnu)
compiled by GNU C version 11.2.0, GMP version 6.2.1, MPFR version 4.1.0, MPC version 1.2.1, isl version isl-0.24-GMP
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include-fixed"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../x86_64-linux-gnu/include"#include "..." search starts here:#include <...> search starts here:
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include
/usr/local/include
/usr/include/x86_64-linux-gnu
/usr/include
End of search list.
GNU C17 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) version 11.2.0 (x86_64-linux-gnu)
compiled by GNU C version 11.2.0, GMP version 6.2.1, MPFR version 4.1.0, MPC version 1.2.1, isl version isl-0.24-GMP
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: ead6677a8de2192bf1e5ee7b28d13856
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o''whatevername''-v''-mtune=generic''-march=x86-64''-dumpdir''whatevername-'
as -v --64 -o /tmp/cc9NFHia.o /tmp/ccogl6jG.s
GNU汇编版本 2.38(x86_64-linux-gnu) 使用BFD版本 (GNU Binutils for Ubuntu)2.38COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o''whatevername''-v''-mtune=generic''-march=x86-64''-dumpdir''whatevername.'
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccJfVQC0.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o whatevername /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../.. /tmp/cc9NFHia.o -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state -lc -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o''whatevername''-v''-mtune=generic''-march=x86-64''-dumpdir''whatevername.'
当然,直接看上面会一头雾水,我们从里面截取几个重要的点进行说明,看注释:
使用cc1 把 hello.c 编译成临时目录下的 .s 文件(预处理编译):
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpdir whatevername- -dumpbase hello.c -dumpbase-ext .c -mtune=generic -march=x86-64 -version -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -fstack-clash-protection -fcf-protection -o /tmp/ccogl6jG.s
上面关键地方可以缩写为
cc1 hello.c -o /tmp/ccogl6jG.s
用 as 命令把 .s 文件转化为 .o 文件 (汇编):
as -v --64 -o /tmp/cc9NFHia.o /tmp/ccogl6jG.s
因为程序中使用了 printf 函数,这个函数并不是我们自己实现的,所需需要用下面的语句去寻找库(这里省略了一些):
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../..
最后就是这句,使用 collect2 链接:
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/liblto_plugin.so
即便上面我们对 GCC 编译的详细过程进行了分析,找出了重要的几个步骤说明,但是对于大部分人来说,上面的分析还是比较模糊的, 那么我们还可以通过 GCC 的编译选项来单独控制每一步。
2.4.1 预编译
gcc -E hello.c -o hello.i
或者
gcc -E -o hello.i hello.c
如下图:
我们先执行预编译指令,然后打开生成的 hello.i 查看:
那这里我们可以再测试一下,我们把代码重新修改,条件编译的条件打开:
然后再次
gcc -E hello.c -o hello.i
预编译,看一看效果:
进过这个测试,我们可以更加的认识到 预处理所做得事情 :
处理所有的注释,将所有的 #define 删除,展开所有的宏定义,处理条件编译指令 ,处理 #include,展开被包含的文件。
2.4.2 编译
gcc -S hello.i -o hello.s
或者
gcc -S -o hello.s hello.i
如下图:
我们先执行编译指令,然后打开生成的 hello.s 查看:
hello.s 文件打开可以看到各种汇编语言:
2.4.3 汇编
gcc -c hello.s -o hello.o
或者
gcc -c -o hello.o hello.s
如下图:
我们先执行编译指令,然后打开生成的
hello.o
查看,肯定是乱码,因为汇编后的
.o
文件是机器码,不是我们能看懂的:
hello.o
都是机器码:
2.4.4 链接
gcc hello.o -o hello
或者
gcc -o hello hello.o
最终我们使用 gcc 不用加任何参数,就可以将上面的
hello.o
文件链接成最终的可执行文件:
通过上面的 GCC 的但不编译说明,我们再次加深了 C 语言的编译过程,也学习了 GCC 编译器的基本使用方法。
提一下,GCC 编译预处理是不会发现语法错误的!需要在第二部编译的过程中才会发现语法错误!
三、 交叉编译器
那我们知道了在 Linux 下的 C 语言编译器是 GCC ,那么是否我们后期嵌入式开发使用的编译器就是 GCC 呢 ?
不,因为我们做嵌入式开发,用的硬件平台是 ARM,而我们开发使用的主机 PC 架构为 X86 架构的,GCC 工具链编译出来的程序是在 X86 架构上运行的,我们需要使用交叉编译器!
3.1 什么是交叉编译器? 为什么要用交叉编译器?
何为交叉编译器,说直白点,就是 在本机平台上编译 不是本机平台运行的程序的编译器,而是编译给其他硬件结构的设备使用程序 的编译器。
比如上面我们分析的是 GCC ,我们直接在 Ubuntu 中写得 hello.c 程序编译后的可执行文件可以直接运行,但是我们放到 开发板上会怎么样呢? 我们可以测试一下:
上面的 NFS 共享文件夹环境搭建可以参考博文:嵌入式 Linux 入门 环境篇(五、NFS 文件共享)
我们在开发板上尝试运行,NFS 的共享文件夹环境搭建参考上面文章:
运行失败,当然,因为在 Ubuntu 上使用 GCC 编译的最终可执行文件是针对 PC 平台(X86)架构的硬件的,这个我们可以直接在 Ubuntu 中查看可执行文件
hello
:
X86 架构的 GCC 编译出的可执行文件只能在 X86 架构使用,开发板使用的是 arm 架构所以不能使用X86 的需要 arm 架构的可执行文件,所以我们需要交叉编译器。
那么 Ubuntu 下的交叉编译器是怎样的呢? 在我们环境篇的文章:嵌入式 Linux 入门 环境篇(四、必备开发工具安装)
我们已经安装过的
arm-linux-gnueabihf-gcc
就是我们 Linux 下的交叉编译器。
arm-linux-gnueabihf-gcc
其实和
gcc
是一样的,所有的操作选项一致,只是最后的可执行文件针对的不通平台,所以我们无需再次说明
arm-linux-gnueabihf-gcc
的基本操作和使用,我们只需要把我们上面的
hello.c
文件使用交叉编译器
arm-linux-gnueabihf-gcc
编译成可执行文件即可,如下图操作:
这时候,我们再次在开发板上尝试运行
armhello
这个文件:
到这里,我们应该也能明白,什么是交叉编译器,为什么我们后面的嵌入式 Linux 开发要使用交叉编译器了。
3.2 能否直接在 ARM 平台上编译本平台的程序?
这里我们再插一个问题,因为我们是在 Ubuntu 上面写得 Hello.c 程序,我们可不可以直接在开发板上写这个 hello.c 程序然后直接在本平台编译呢?
这个当然是可以的,但是这里需要说明几点问题:
1、首先,我使用的正点原子的开发板上是没有 gcc 工具链的,尝试了一下也无法下载,当然这是与正点原子自己做的内核有关系。
2、在野火的 Linux 教学视频中,在他们的开发板上是可以下载程序的,然后如果使用
sudo apt-get install gcc
下载的 gcc 版本,其实就是 arm gcc,如下图:
3、如果可以在开发板上安装 gcc 工具链,那么当然可以在本平台编译自己所需要的程序。
但是注意!!!我们在编译大工程的时候,比如 Linux 内核的时候,对性能和内存个方便都有要求,一般来说, ARM 的性能可比 PC 的性能差远了,他自己本身并不能满足很多场合下的工程编译,因为性能太差了,所以肯定需要在性能强悍的 PC 上编译,这也是为什么会有交叉编译器。
在我们的后面对于我们的开发板程序的编译,都是使用交叉编译器
arm-linux-gnueabihf-gcc
。
结语
本文们通过复习 C 语言的编译过程,说明了 Linux 下的 GCC 编译器,然后通过学习基本的 GCC 的操作使用,又加深了对 C 语言编译过程的理解。
最后引出了 交叉编译器的概念,让大家认识到了我们后期开发板程序的开发使用的编译器。
在文中我们对 GCC 的使用说明只是针对单个的文件,那么多个文件,是如何进行编译的呢?我们将在下面的一篇文章来解决这个问题。
好了,本文就到这里,谢谢大家!
这里插一句, 文章最下面的推广链接我换成了企鹅群,因为我发现很多问我问题的兄弟沟通起来没一个群不方便,大家以后在群里可以随时提问,也不怕我不在忘了回答了。
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