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[系统运维]11.Linux Linux系统和HelloWorld

三个问题

了解Hello World程序的执行过程有什么用?

1.对我们以后开发其他程序有很好的借鉴意义

2.对程序的各种报错有清晰的了解，从而针对性的解决问题

裸机开发中的HelloWorld程序是怎么执行的?

预编译--编译--汇编--连接?

Linux系统下的Hello World程序是怎么执行的?

GCC和Hello World

本章以Linux下使用GCC编译Hello World程序来讲解Linux C编程的相关流程和概念。

在Windows下开发C程序代码可以用Visual Studio，开发MCU的程序可以使用Keil、IAR等IDE集成开发环境；而在Linux下也有类似的IDE，如eclipse、Clion等。在这些环境下开发通常我们按照它们预定的步骤建立工程模板，再编写具体的代码，直接点击对应的编译、运行按钮即可完成操作。

在开发大型应用程序特别是调试的时候，使用IDE是非常好的选择， IDE的一个特点是它把各种常用操作封装成图形界面供用户使用，但如同学习Shell命令行的原因一样，在图形界面之下还潜藏着海量的功能，在Linux下的日常开发中常常直接使用命令行来操作，编译时配合其它命令行工具的时候简单快捷，而且非常直观，有利于了解编译的原理。

本章通过解构hello world程序在Linux下的编译运行过程，掌握GCC、readelf、ldd工具的基本使用，便于理解开发流程以及后期建立编译工具链是要做什么事情。了解各编译步骤及其生成的文件，这对后期编写Makefile及使用其它工具大有好处。了解程序的链接过程有利于明白为什么某些程序需要依赖特定的文件，从而方便专门定制Linux文件系统。

3.1.?GCC编译工具链

GCC编译工具链（toolchain）是指以GCC编译器为核心的一整套工具，用于把源代码转化成可执行应用程序。它主要包含以下三部分内容：

gcc-core：即GCC编译器，用于完成预处理和编译过程，例如把C代码转换成汇编代码。
Binutils ：除GCC编译器外的一系列小工具包括了链接器ld，汇编器as、目标文件格式查看器readelf等。
glibc：包含了主要的 C语言标准函数库，C语言中常常使用的打印函数printf、malloc函数就在glibc 库中。

在很多场合下会直接用GCC编译器来指代整套GCC编译工具链。

3.1.1.?GCC编译器

GCC（GNU Compiler Collection）是由 GNU 开发的编程语言编译器。 GCC最初代表“GNU C Compiler”，当时只支持C语言。后来又扩展能够支持更多编程语言，包括 C++、Fortran 和 Java 等。因此，GCC也被重新定义为“GNU Compiler Collection”，成为历史上最优秀的编译器，其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高 20%~30%。

GCC的官网地址为：GCC, the GNU Compiler Collection- GNU Project，在Ubuntu系统下系统默认已经安装好GCC编译器，可以通过如下命令查看Ubuntu系统中GCC编译器的版本及安装路径：

#在主机上执行如下命令
gcc -v          #查看gcc编译器版本
which gcc       #查看gcc的安装路径

3.4.?GCC编译过程

3.4.1.?基本语法

GCC使用的命令语法如下：

gcc [选项] 输入的文件名

常用选项：

-o：小写字母“o”，指定生成的可执行文件的名字，不指定的话生成的可执行文件名为a.out。
-E：只进行预处理，既不编译，也不汇编。
-S：只编译，不汇编。
-c：编译并汇编，但不进行链接。
-g：生成的可执行文件带调试信息，方便使用gdb进行调试。
-Ox：大写字母“O”加数字，设置程序的优化等级，如“-O0”“-O1” “-O2” “-O3”，数字越大代码的优化等级越高，编译出来的程序一般会越小，但有可能会导致程序不正常运行。

3.4.1.1.?编译过程

若不了解程序的编译过程，那么GCC的编译选项会让人一头雾水。下面以X86_64平台下Ubuntu的编译过程为例进行初步讲解， ARM平台下Debian的编译过程也是类似的，不再进行分析。

GCC编译选项除了-g和-Ox选项，其它选项实际上都是编译的分步骤，即只进行某些编译过程。

#直接编译成可执行文件
gcc hello.c -o hello

#以上命令等价于执行以下全部操作
#预处理，可理解为把头文件的代码汇总成C代码，把*.c转换得到*.i文件
gcc –E hello.c –o hello.i

#编译，可理解为把C代码转换为汇编代码，把*.i转换得到*.s文件
gcc –S hello.i –o hello.s

#汇编，可理解为把汇编代码转换为机器码，把*.s转换得到*.o，即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o

#链接，把不同文件之间的调用关系链接起来，把一个或多个*.o转换成最终的可执行文件
gcc hello.o –o hello

对于有MCU开发经验的读者，建议学习一下野火的《STM32库开发实战指南》、《i.MX RT库开发实战指南》中《MDK的编译过程及文件详解》章节，它从MCU的角度非常详细地讲解了上述编译过程。GCC的编译过程也是一样的，而且在Linux平台下解构这个过程更加直观，不过本章作为入门章节，仅从表面去建立编译原理的轮廓，不作深入介绍。

GCC 编译工具链在编译一个C源文件时需要经过以下 4 步：

预处理，在预处理过程中，对源代码文件中的文件包含(include)、预编译语句(如宏定义define等)进行展开，生成.i文件。可理解为把头文件的代码、宏之类的内容转换成更纯粹的C代码，不过生成的文件以.i为后缀。
编译，把预处理后的.i文件通过编译成为汇编语言，生成.s文件，即把代码从C语言转换成汇编语言，这是GCC编译器完成的工作。
汇编，将汇编语言文件经过汇编，生成目标文件.o文件，每一个源文件都对应一个目标文件。即把汇编语言的代码转换成机器码，这是as汇编器完成的工作。
链接，最后将每个源文件对应的.o文件链接起来，就生成一个可执行程序文件，这是链接器ld完成的工作。

四个案例

?gcc预处理c文件

?#预处理，可理解为把头文件的代码汇总成C代码，把*.c转换得到*.i文件

查看打印信息（-v）

sudo gcc -E hello.c -o hello.i -v

COLLECT_GCC_OPTIONS='-E' '-o' 'hello.i' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
?/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -E -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -o hello.i -mtune=generic -march=x86-64 -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security
?

?gcc编译c文件

sudo gcc -S hello.i -o hello.s -v

COLLECT_GCC_OPTIONS='-S' '-o' 'hello.s' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
?/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -fpreprocessed hello.i -quiet -dumpbase hello.i -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase-strip hello.s -version -o hello.s -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security
生成汇编文件

?gcc编译汇编

sudo gcc -c hello.s -o hello.o -v

?as -v --64 -o hello.o hello.s
?

?gcc链接可重定位文件

?sudo gcc hello.o -o hello -v

ld连接器

collter2封装了id连接器

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccJYPevg.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?（说明编译是动态编译的）/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o hello /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../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/7/../../.. hello.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/7/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
接下来给大家看一下静态编译

sudo gcc hello.o -o hello_static -v -static

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccvPgTQK.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_eh -plugin-opt=-pass-through=-lc --build-id -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -static -z relro -o hello_static /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtbeginT.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../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/7/../../.. hello.o --start-group -lgcc -lgcc_eh -lc --end-group /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtend.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello_static' '-v' '-static' '-mtune=generic' '-march=x86-64'

动态编译出来的hello：8.3k

静态编译出来的hello_static：845k?

sudo gcc hello.c -o hello -v

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpbase hello.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase hello -version -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -o /tmp/ccOeHSOm.s
GNU C11 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) version 7.5.0 (x86_64-linux-gnu)
?? ?compiled by GNU C version 7.5.0, GMP version 6.1.2, MPFR version 4.0.1, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.19-GMP
?

as汇编器

?as -v --64 -o /tmp/cc3ne0Az.o /tmp/ccOeHSOm.s
GNU assembler version 2.30 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
?

先了解到这里吧我睡觉了-_-