Linux操作系统从入门到实战（八）详细讲解编译器gcc/g++编译步骤与动静态库链接

前言

• 在上一篇博客中，我们探讨了 Vim 编译器的使用方法。
• 而在本篇博客中，我们将开启对 gcc/g++ 编译器的讲解之旅。

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一、gcc/g++ 背景知识

为什么有gcc/g++？

• GCC（GNU Compiler Collection）是GNU项目开发的编译器集合，最初是为C语言设计的（gcc），后来扩展支持了更多语言。
• G++是GCC中专门用于编译C++代码的前端工具。

之所以需要两个工具，是因为：

1. 语言差异：C++比C多了很多特性（类、模板、异常处理等），需要特殊处理
2. 链接需求：C++程序默认需要链接C++标准库（如libstdc++），而C程序不需要
3. 编译选项：g++会自动启用一些C++必需的编译选项

• 简单来说：编译C代码用gcc，编译C++代码用g++。

二、gcc编译过程四步走

第一步：预处理

预处理就像做饭前的备菜环节，主要帮你处理代码里的"杂事"：

• 宏替换：比如你定义了#define PI 3.14，预处理会把代码里所有的PI换成3.14
• 文件包含：遇到#include <stdio.h>，就会把stdio.h文件里的内容"复制粘贴"到你的代码里
• 去注释：代码里//或/* */的注释会被删掉，因为电脑不需要看这些说明
• 条件编译：比如#if 0 ... #endif中间的代码会被暂时去掉
  
  

操作方法：

• 用gcc -E hello.c -o hello.i命令，就能得到预处理后的文件hello.i。
• 这里的-E就像告诉gcc：“做完预处理就停下，别往下走了”，-o是指定输出文件的名字。

第二步：编译

• 预处理完的代码还是C语言，电脑还是看不懂。
• 编译阶段就像把中文翻译成"电脑能懂的半成品语言"（汇编语言）。

这一步会先检查你的代码写得对不对：

• 有没有少写分号？
• 变量是不是没定义就用了？
• 函数调用的参数对不对？

如果有错误，会报错让你修改；没错误的话，就生成汇编代码。

操作方法：
用gcc -S hello.i -o hello.s命令，生成.s后缀的汇编文件。

• -S的意思是"只编译到汇编语言，别继续往下做"。
• 汇编代码里会有很多mov、add之类的指令，这是更接近电脑操作的语言。

第三步：汇编

• 汇编语言电脑还是不能直接执行，得变成二进制的机器码（0和1）才行。
• 这一步就像把"半成品语言"翻译成"电脑的母语"。

操作方法：
用gcc -c hello.s -o hello.o命令，生成.o后缀的目标文件。
-c的作用是"把汇编代码转成二进制目标文件"，.o文件里都是0和1组成的机器码，但现在还不能直接运行。

第四步：链接

• 我们的代码可能用到了别人写的功能（比如printf函数），这些功能放在其他的库文件里。
• 链接阶段就像组装机器，把我们的目标文件和需要的库文件拼在一起，形成一个能直接运行的程序。

操作方法：
用gcc hello.o -o hello命令，生成可执行文件（Windows里是.exe，Linux里没有后缀）。
现在我们输入./hello（Linux），就能看到程序运行的结果了！

总结一下四步流程

1. hello.c（源代码）→预处理→hello.i（预处理后的代码）
2. hello.i→编译→hello.s（汇编代码）
3. hello.s→汇编→hello.o（二进制目标文件）
4. hello.o→链接→hello（可执行文件）

三、动态链接与静态链接

1. 为什么需要链接？

• 想象我们搭积木，每个源文件（.c）都是一个单独的积木块，编译后变成目标文件（.o）。
• 这些积木块（.c）各自有不同的功能，但单独一块没法用——比如main.c里调用了add.c里的加法函数，可main.o里并没有这个函数的具体实现。

链接的作用就是：把这些零散的积木块（.o文件）拼在一起，让它们能相互配合工作，最后形成一个完整的"模型"（可执行程序）。

2. 静态链接

静态链接就像搭积木时用胶水把所有积木块粘死——一旦粘好，每个零件都成了整体的一部分，再也分不开。

2.1 静态链接的过程：

1. 每个.c文件单独编译成.o目标文件（比如add.c→add.o，main.c→main.o）
2. 静态链接器把所有.o文件"合并打包"，生成一个可执行程序
3. 这个可执行程序里包含了所有需要的代码（自己写的+调用的库函数，比如printf）

2.2 静态链接的优缺点：

优点：

• 运行快：因为所有代码都在一个文件里，程序启动时不用临时找零件
• 独立运行：拿到这个可执行程序，随便复制到其他电脑，只要系统兼容就能直接跑

缺点：

• 太占空间：如果多个程序都用了printf函数，每个程序里都会有一份printf的代码。就像每个房子都单独装一个一模一样的水龙头，其实完全可以共用
• 更新麻烦：如果printf函数有bug需要修复，所有用静态链接的程序都得重新编译打包，不能只更新printf这一个零件

静态链接示例
1. 创建源文件

// add.c - 加法函数实现
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// main.c - 主程序，调用add函数
#include <stdio.h>
int add(int a, int b);  // 函数声明

int main() {
    int result = add(3, 4);
    printf("3 + 4 = %d\n", result);
    return 0;
}

2. 编译与静态链接步骤

# 1. 编译源文件为目标文件
gcc -c add.c -o add.o
gcc -c main.c -o main.o

# 2. 创建静态库（可选）
ar rcs libadd.a add.o

# 3. 静态链接（方式一：直接链接目标文件）
gcc main.o add.o -o static_program1

# 3. 静态链接（方式二：链接静态库）
gcc main.o -L. -ladd -o static_program2

3. 验证静态链接结果

# 查看依赖关系（无动态库依赖）
ldd static_program2
# 输出示例：
#     not a dynamic executable

3. 动态链接

动态链接是为了解决静态链接的"浪费"问题而发明的。

• 它像用可拆卸的螺丝组装积木——程序本身不包含所有零件，而是在运行时才去"借"需要的零件。

3.1 动态链接的过程：

1. 源文件还是编译成.o目标文件
2. 链接时不把库函数的代码打包进程序，只记录"我需要某某函数，在某某库文件里"
3. 程序运行时，系统会找到对应的"共享库"（比如libc.so.6），临时把需要的函数代码"链接"进来使用

3.2 动态链接的优缺点：

优点：

• 节省空间：多个程序可以共用一个共享库。比如10个程序都用printf，只需要一份libc.so.6文件，所有程序共享它
• 更新方便：如果printf函数修复了bug，只需要更新libc.so.6这一个文件，所有用动态链接的程序下次运行时自动用上新功能

缺点：

• 依赖库文件：如果电脑里没有对应的共享库（比如libc.so.6丢了），程序会报错"找不到某某库"
• 启动稍慢：运行时需要临时找库文件并链接，比静态链接多了一点点准备时间（一般用户感觉不到）

动态链接示例
1. 创建源文件（与静态示例相同）

// add.c - 加法函数实现
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// main.c - 主程序，调用add函数
#include <stdio.h>
int add(int a, int b);  // 函数声明

int main() {
    int result = add(3, 4);
    printf("3 + 4 = %d\n", result);
    return 0;
}

2. 编译与动态链接步骤

# 1. 编译源文件为位置无关代码（PIC）
gcc -fPIC -c add.c -o add.o

# 2. 创建动态库
gcc -shared -o libadd.so add.o

# 3. 动态链接
gcc main.c -L. -ladd -o dynamic_program

# 4. 运行前需设置动态库搜索路径（临时方法）
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.

3. 验证动态链接结果

# 查看依赖关系
ldd dynamic_program
# 输出示例：
#     linux-vdso.so.1 (0x00007ffd9b7fb000)
#     libadd.so => ./libadd.so (0x00007f8c3f9fc000)
#     libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f8c3f81a000)
#     /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f8c3f9fe000)

4. 什么是"库"？

• 前面总提到"库文件"，其实库就是一堆现成函数的集合，像一个工具包。

比如：

• 你写printf("Hello")时，自己的代码里只写了调用命令，并没有实现"怎么在屏幕上显示文字"的具体代码
• 这些具体代码早就被专家写好，放在了libc.so.6这个库文件里（Linux系统下）
• 链接的作用就是告诉程序：“你要的printf在libc.so.6里，到时候去找它”

5. 如何查看程序依赖的动态库？

Linux系统里有个超好用的命令ldd，可以查看一个程序依赖哪些动态库。比如：

ldd hello

运行后会显示类似这样的内容：

linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fffeb1ab000)
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007ff776af5000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff776ec3000)

这说明hello程序运行时需要libc.so.6等库文件，如果这些文件丢失，程序就跑不起来。

6. 静态与动态的核心区别

四、 静态库和动态库

1. 静态库与动态库

• 前面我们讲了静态链接和动态链接的原理，其实它们背后都依赖"库文件"。
• 就像工具箱分两种：一种是一次性打包带走的，另一种是大家共用的。
• 下面我们具体说说这两种库的区别。

2. 静态库和动态库长啥样？

库文件就像提前做好的"功能模块包"，里面装着各种现成的函数（比如打印、计算等）。但根据链接方式不同，库分两种：

2.1 静态库

• 特点：编译链接时，会把库里面的所有代码都复制到你的程序里，相当于"买工具回家"
• 后缀名：
  • Linux系统里叫.a（比如libmath.a，a可以理解为"archive归档"）
  • Windows系统里叫.lib（注意：Windows的.lib可能是静态库或动态库的导入库，这里只说静态库的情况）
• 后果：生成的可执行文件比较大，但一旦生成，就再也不需要原来的库文件了

2.2 动态库

• 特点：编译链接时，只记录库的位置，不复制代码，程序运行时才去"借"功能，相当于"用的时候去工具间拿"
• 后缀名：
  • Linux系统里叫.so（比如libc.so.6，so是"shared object共享对象"的缩写）
  • Windows系统里叫.dll（比如kernel32.dll，dll是"dynamic link library动态链接库"的缩写）
• 后果：生成的可执行文件小，但运行时必须有对应的动态库在场，否则会报错

3. 为什么动态库更受欢迎？

• 假设网吧有100台电脑，都要装同款游戏。
• 如果用"静态库思路"，每台电脑都得把游戏需要的所有库文件（比如图形处理、声音处理的库）复制一份，100台电脑就有100份相同的库，

太浪费硬盘空间了。

• 但用"动态库思路"，网吧服务器上只存一份动态库（.so或.dll），100台电脑运行游戏时都去服务器"借用"这份库，不用重复存储。这
• 样不仅省空间，以后游戏库更新了，只需要改服务器上的那一份，所有电脑都能用上新功能——这就是动态库的优势！

我们平时用的软件、手机APP，大多像网吧的游戏一样，依赖动态库运行。

4. gcc默认是动态链接

当你用gcc hello.o -o hello生成可执行文件时，gcc悄悄做了件事：默认使用动态库链接。也就是说，你的hello程序里并没有包含printf这些函数的具体代码，而是依赖系统里的libc.so.6动态库。

怎么验证这一点？

用file命令查看可执行文件的属性：

file hello

如果看到类似"dynamically linked"（动态链接）的字样，就说明这是动态链接的程序。

如果想强制用静态链接，需要加-static参数：

gcc -static hello.o -o hello_static

这时生成的hello_static会包含所有需要的代码（包括libc静态库），文件体积会大很多，但复制到其他Linux系统时，不用管对方有没有libc.so.6都能运行。

静态库没安装？这样补上

很多云服务器或精简系统里，默认没装C/C++静态库（因为大家常用动态库）。如果编译静态链接程序时报错"找不到静态库"，可以手动安装：

CentOS系统：

yum install glibc-static libstdc++-static -y

这条命令会安装C语言静态库（glibc-static）和C++静态库（libstdc++-static）。

扩展

1. 条件编译有什么用？

简单说，就是让同一套代码能适应不同场景。比如：

• 写一个程序，想在Windows和Linux上都能跑，用#ifdef _WIN32…#else…#endif区分不同系统的代码
• 调试时想打印详细信息，发布时去掉这些信息，用#ifdef DEBUG控制

2. 为什么非要把代码变成汇编？

汇编语言是"人和电脑的中间翻译官"：

• 高级语言（C、Python）好写但电脑看不懂
• 机器码（0和1）电脑看得懂但人没法写
• 汇编语言介于两者之间，既接近机器码，又比机器码好理解，是编译器翻译的必经步骤

3. 什么是"编译器自举"？

简单说就是"自己编译自己"：

• 最早的编译器可能是用机器码或汇编写的
• 后来人们用C语言写了C编译器，再用这个编译器编译自己的源代码，得到新的编译器
• 就像用自己做的面包机烤面包，最后面包机可以做出能烤出自己的面包——听起来绕，但这是编译器发展的重要方式

五、 gcc其他常用选项（了解即可）

第一类：控制编译步骤的"进度开关"

还记得gcc编译的四步流程吗？（预处理→编译→汇编→链接）这些选项能让编译过程在指定步骤停下，方便我们查看中间结果。

1. -E：只做预处理，不往下走

• 作用：只执行预处理（处理#include、#define等），做完就停，不生成可执行文件
• 特点：默认不生成文件，需要用-o指定输出文件，否则结果会直接打印在屏幕上
• 例子：
  gcc -E hello.c -o hello.i
  把hello.c预处理后存成hello.i（对应编译第一步）

2. -S：编译到汇编语言就刹车

• 作用：从源代码一直处理到生成汇编语言，不进行后续的汇编和链接
• 适用场景：想看看C代码对应的汇编指令长啥样时用
• 例子：
  gcc -S hello.c -o hello.s
  直接把hello.c编译成汇编文件hello.s（对应编译第二步）

3. -c：编译到目标代码就停

• 作用：走完预处理、编译、汇编三步，生成二进制的目标文件（.o），不进行链接
• 特点：生成的.o文件不能直接运行，但可以用来后续链接成可执行程序
• 例子：
  gcc -c hello.c -o hello.o
  生成目标文件hello.o（对应编译第三步）

第二类：控制输出的"文件管理开关"

这类选项主要用来指定输出文件的名字或格式，最常用的就是-o。

-o：给输出文件起名字

• 作用：指定生成文件的名称，避免gcc自动起默认名（比如默认生成a.out）
• 用法：-o后面直接跟你想取的文件名
• 例子：
  gcc hello.c -o myprogram
  把编译结果存成myprogram（而不是默认的a.out）；
  gcc hello.o -o run 把目标文件链接成名为run的可执行程序

第三类：控制链接方式的"库开关"

这类选项决定程序是用静态库还是动态库链接，和我们之前讲的静态/动态链接直接相关。

1. -static：强制用静态链接

• 作用：不管系统里有没有动态库，都强制使用静态库链接，把所有代码打包进可执行文件
• 效果：生成的文件体积大，但可以独立运行（不用依赖系统里的动态库）
• 例子：
  gcc hello.c -static -o hello_static
  生成静态链接的hello_static，复制到其他Linux系统不用怕缺库

2. -shared：尽量用动态库

• 作用：告诉gcc优先使用动态库链接，生成的文件体积小（默认其实就是动态链接）
• 注意：生成的程序运行时需要系统里有对应的动态库，否则会报错
• 例子：
  gcc hello.c -shared -o hello_shared
  （实际效果和默认编译差不多，主要用于制作动态库时）

第四类：调试和优化的"功能开关"

这类选项能帮我们调试程序或让程序运行得更快。

1. -g：给程序加"调试标记"

• 作用：生成调试信息（就像给程序加了"定位器"），让GDB等调试工具能找到代码对应的位置
• 适用场景：写代码时难免出错，加了-g就能用调试器一步步看程序运行过程
• 例子：
  gcc hello.c -g -o hello_debug
  生成带调试信息的程序，之后可以用gdb hello_debug进行调试

2. 优化选项：-O0 到 -O3（字母O，不是数字0）

• 作用：控制编译器对代码的优化程度，就像照片美颜的不同级别
  • -O0：不优化（默认），编译快，适合调试（代码和你写的几乎一致）
  • -O1：基础优化，让程序跑快一点，编译时间增加不多
  • -O2：中级优化，比-O1优化得更细致，适合发布程序
  • -O3：最高级优化，会对代码做深度调整（比如循环优化、函数内联），编译慢但程序可能更快
• 例子：
  gcc hello.c -O3 -o hello_fast
  生成优化到最高级的程序，运行速度可能比默认编译的快

第五类：控制警告信息的"提示开关"

这类选项决定编译器是否提醒你代码里的潜在问题，就像老师批改作业时的评语。

1. -w：关闭所有警告

• 作用：不管代码里有多少不规范的地方，编译器都不提示警告
• 不推荐：新手最好别用，警告往往是帮你发现错误的好机会

2. -Wall：显示所有警告

• 作用：开启所有常见警告（Wall可以理解为"All Warnings"），比如变量定义了不用、函数没返回值等
• 推荐用法：写代码时加上-Wall，让编译器当你的"纠错小助手"
• 例子：
  gcc hello.c -Wall -o hello
  如果代码里有int a;但没用到a，编译器会提示warning: unused variable ‘a’

常用选项速查表

以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索Linux的更多精彩内容。

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