大家好，欢迎来到IT知识分享网。

1、GCC、glibc和GNU C的关系

1.1.1 GCC

GCC全称GNU Compiler Collection，是GNU项目的一部分，主要是一套编译器工具集，支持多种编程语言，包括C、C++、Objective-C、Fortran、Ada、Go和D等。GCC最初作为GNU操作系统的官方编译器，用于编译GNU/Linux系统和应用程序。它是自由软件，遵循GNU General Public License（GNU GPL）发布。

GCC的主要作用是将源代码编译成机器语言，生成可执行文件或库文件。它也提供了一些优化选项，可以在编译过程中优化代码，提高程序运行的效率。

1.2 glibc

glibc，全称GNU C Library，是GNU项目的一部分，是C语言标准库的一个实现版本，为C语言提供了标准的API，包括输入输出处理、字符串操作、内存管理等。glibc是Linux系统上最常用的C标准库实现之一，它实现了C标准规定的所有标准库函数以及POSIX（可移植操作系统接口）的扩展。

glibc对于Linux系统和基于Linux的应用程序至关重要，因为它提供了与操作系统交互的基本接口和运行时环境。应用程序通过调用glibc提供的函数来执行文件操作、内存管理、进程控制等操作。

1.3 GNU C

GNU C通常指的是GNU项目的C语言编程标准，特别是在GCC中实现的C语言的扩展和特性。GNU C包括ANSI C（现在通常指C89或C90）的所有特性，以及对C99、C11等更现代C标准的支持和一些GNU特有的扩展。

1.4 三者之间的关系

GCC使用glibc作为其C语言程序的标准库。当GCC编译C语言程序时，程序中使用的标准库函数（如printf或malloc）是通过glibc提供的。

GNU C是GCC中实现的C语言的一个版本，包含了对C语言标准的支持以及GNU特有的扩展。这些扩展可以在使用GCC编译程序时通过特定的编译选项启用。

总的来说，GCC是编译器，负责将源代码转换为可执行代码；glibc是运行时库，提供程序运行所需的标准函数和操作系统服务的接口；而GNU C则定义了GCC支持的C语言的标准和扩展。

这三者共同构成了GNU/Linux系统下开发和运行C语言程序的基础。

2 、POSIX

POSIX，全称为“可移植操作系统接口”（Portable Operating System Interface），是一组标准，用来确保各种不同的操作系统能够提供相同的应用编程接口（API）。这套标准由 IEEE（电气和电子工程师协会）制定，标识符为IEEE 1003。

POSIX标准的主要目的是促进应用软件与多种类型的操作系统之间的兼容性。通过遵循POSIX标准，开发人员可以编写能够在各种不同系统上运行的程序，而无需对程序进行大量修改。这包括Unix、Linux、MacOS以及其他类Unix系统。

主要内容包括：

（1）系统调用和库：定义了操作系统应提供的核心服务，如文件系统操作、进程管理和线程控制。

（2）Shell和工具：规定了标准命令行接口和一系列基本工具，如awk、echo等。

（3）程序接口：包括语言、函数库等接口规范，使程序能够在任何遵循POSIX的操作系统上运行。

POSIX标准的遵循，有助于提高软件的可移植性和灵活性，是现代操作系统开发的重要基石。

3、C语言编译过程

Linux的C语言开发，一般选择GCC工具链进行编译，通过下面的例子来演示GCC如何使用：

 mkdir helloworld cd helloworld

新建三个文件

main.c

 #include <stdio.h> #include "01_hello.h" void hello() { printf("hello world c"); }

01_hello.h

 #ifndef __01_HELLO_H__ #define __01_HELLO_H__ void hello(); #endif 

01_hello.c

 #include <stdio.h> #include "01_hello.h" void hello() { printf("hello world c"); }

命令编译可执行文件并执行

 [root@sun161 helloworld]# gcc main.c 01_hello.c -o main [root@sun161 helloworld]# ./main

-o：output的缩写，表示输出，用于指定输出文件名。 编译过程被浓缩成一步命令。但实际上，c语言的编译是有一个多步骤流程的。

4、预处理

在C语言编译过程中，预处理是其中的第一个阶段，它的主要目的是处理源代码文件中的预处理指令，将它们转换成编译器可以识别的形式。预处理主要包含宏替换、文件包含、条件编译、注释移除等几种任务。预处理的输出通常是经过预处理后的源代码文件，它会被保存成一个临时文件，并作为编译器的输入。预处理器处理后的文件通常会比原始源文件大，因为它会展开宏和包含其他文件的内容。

用下面的命令对两个源文件进行预处理

 [root@sun161 helloworld]# gcc -E 01_hello.c -o hello.i [root@sun161 helloworld]# gcc -E main.c -o main.i

-E：Expand（展开）的缩写，该参数指定gcc执行预处理操作。

.i：intermediate（中间的）的缩写，预处理后的源文件通常以.i作为后缀。

得到的hello.i和main.i就是预处理之后的文件。我们可以查看它们的内容，例如

main.i

 # 1 "main.c" # 1 "<built-in>" # 1 "<command-line>" # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4 # 1 "<command-line>" 2 # 1 "main.c" # 1 "01_hello.h" 1 void hello(); # 2 "main.c" 2 int main() { hello(); return 0; }

.i文件内容解读

与处理后的.i文件包含了经过C预处理器处理的源代码及行控制指令等内容。

源代码不必多数，此处对行控制指令做简要介绍。

.i文件中以#开头的是预处理器插入的行控制指令，用于标示从下一行起的代码来源，格式大致为

# 行号 “文件名” 标志

行号和文件名表示从下一行开始的源代码来源于哪个文件的哪一行。

标志可以是数字1,2,3,4，每个数字的含义如下：

Ø 1: 表示接下来的内容开始于一个新的文件。

Ø 2: 表示控制权从被包含的文件返回。这用于当预处理器完成一个包含文件的读取，回到包含它的文件继续处理时。

Ø 3: 指示接下来的内容来自系统头文件。

Ø 4: 表明接下来的内容应被视为被extern “C”包围，这主要用于C++中，以指示C链接约定。extern C是C++中的关键字组合，我们不必关注。

注：行号为0通常是预处理器的一种特殊标记用法，并不指向源代码中的实际行号。它可能用于初始化或特殊标记，比如标识文件的开始，而不直接对应于源代码中的行。我们只需要知道.i文件是将源码中宏定义处理之后的源文件，其它内容了解即可。

5、编译

编译阶段，编译器会将经过预处理的源代码文件转换成汇编代码。在这个阶段，编译器会将源代码翻译成机器能够理解的中间代码，包括词法分析、语法分析、语义分析和优化等过程。编译器会检查代码的语法和语义，生成对应的汇编代码。编译阶段是整个编译过程中最复杂和耗时的阶段之一，它对源代码进行了深入的分析和转换，确保了程序的正确性和性能。

 [root@sun161 helloworld]# gcc -S hello.i -o hello.s [root@sun161 helloworld]# gcc -S main.i -o main.s

-S：Source（源代码）的缩写，该参数指定gcc将预处理后的源码编译为汇编语言。

.s：Assembly Source（汇编源码）的缩写，通常编译后的汇编文件以.s作为后缀。

我们同样可以观察编译器生成的汇编文件，例如main.s：

main.s

 .file "main.c" .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $0, %eax call hello movl $0, %eax popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE0: .size main, .-main .ident "GCC: (GNU) 4.8.5  (Red Hat 4.8.5-16)" .section .note.GNU-stack,"",@progbits 

6、 汇编

1）汇编命令

汇编阶段是C语言编译过程中的重要阶段，它将编译器生成的中间代码或汇编代码转换成目标机器的机器语言代码，也就是目标代码。这个阶段由汇编器（Assembler）完成，其主要任务是将汇编指令翻译成目标机器的二进制形式。主要包含以下几个任务：符号解析、指令翻译、地址关联、重定位、代码优化。最终，汇编器会将翻译和处理后的目标代码输出到目标文件中，用于后续的链接和生成可执行程序或共享库文件。

 [root@sun161 helloworld]# gcc -c hello.s -o hello.o [root@sun161 helloworld]# gcc -c main.s -o main.o

-c：可以被理解为Compile or Assemble（编译或汇编），该参数可以指定gcc将汇编代码翻译为机器码，但不做链接。此外，该参数也可以用于将.c文件直接处理为机器码，同样不做链接。

-o：Object的缩写，通常汇编得到的机器码文件以.o为后缀。

.o文件内容解读

这次生成的文件已经是二进制文件了，我们不能用文本编辑器直接查看该文件。可以用下面的指令查看main.o文件实质的内容：

 objdump -s main.o

文件大致可以分为五个部分：

（1）文件格式

最上面的行标明了文件的格式为：elf64-x86-64-64，为x86-64-64架构设计的64位ELF文件格式。ELF英文全称为Executable and Linkable Format，即可执行链接格式，了解即可。

（2）.text节

从Contents of section .text开始到下一个Contents之间的属于.text节。这部分包含了程序的机器代码或指令，是程序实际执行的代码。

① 列之间是以空格分隔的，左侧第一列为四位16进制数，用于表示当前行的地址偏移量，上述文件中，.text节第一列第一行为0x0000，表示这一行的地址偏移量是从0开始的，第一列第二行为0x0010，表示这一行的偏移量是从十进制的16开始的。

② 从第二至第五列共4列均为16进制数表示的机器码，一行写满，刚好占用16个字节，因此，第一行的地址从0开始，第二行从16开始。可以看到，main函数源码处理之后得到的机器码共占用了25个字节的空间。

③ 第六列即最后一列是机器码的ASCII码表示，和②中的16进制表示相对应。对于ASCII码无法表示的字符，全部用.表示，对于.text节，这部分是无意义的，因为机器码的意义和作用与ASCII码表示无关。

（3）.comment节

从Contents of section .comment至下一个Contents之间的属于.comment节。这部分包含编译器和编译选项的信息，用于记录编译这个文件的环境。

这一节及后续两节的列布局与.text相同，即第一列为地址偏移量，最后一列为机器码的ASCII码表示，其余列为机器码的16进制表示，不再赘述。

本节记录的信息可以从ASCII码表示部分读取：编译器版本为GCC：.GCC: (GNU) 4.8.5 (Red Hat 4.8.5-16).

（4）.note.gnu.property节

从Contents of section .note.gnu.property到下一个Contents之间的部分属于本节。通常包含了一些GNU特定的属性。这部分内容与.text节相同，无法通过ASCII码解读。了解即可。

（5）.eh_frame节

从Contents of section .eh_frame到下一个Contents之间的部分属于本节。包含了用于异常处理的元数据，如每个函数的堆栈信息，可用于异常处理和调试。同样无法通过ASCII码解读。

7、链接

链接阶段，由链接器完成。链接器将各个目标文件以及可能用到的库文件进行链接，生成最终的可执行程序。在这个阶段，链接器会解析目标文件中的符号引用，并将它们与符号定义进行匹配，以解决符号的地址关联问题。链接器还会处理全局变量的定义和声明，解决重定位问题，最终生成可执行文件或共享库文件。

链接方式

我们在hello()函数中调用了printf()函数，这个函数是在stdio.h中声明的，后者来源于glibc库，printf()的实现在glibc的二进制组件中，通常是在共享库（如libc.so）或静态库（如libc.a）文件中。因此，我们除了要链接main.o、hello.o，还需要和glibc库的文件链接。通常，C语言的链接共有三种方式：静态链接、动态链接和混合链接。三者的区别就在于链接器在链接过程中对程序中库函数调用的解析。

（1）静态链接

将所有目标文件和所需的库在编译时一并打包进最终的可执行文件。库的代码被复制到最终的可执行文件中，使得可执行文件变得自包含，不需要在运行时查找或加载外部库。

 [root@sun161 helloworld]# gcc -static main.c 01_hello.c -o main

-static：该参数指示编译器进行静态链接，而不是默认的动态链接。使用这个参数，GCC会尝试将所有用到的库函数直接链接到最终生成的可执行文件中，包括C标准库（libc）、数学库（libm）和其他任何通过代码引用的外部库。

（2）动态链接

库在运行时被加载，可执行文件包含了需要加载的库的路径和符号信息。动态链接的可执行文件比静态链接的小，因为它们共享系统级的库代码。与静态链接不同，库代码不包含在可执行文件中。

① 方式一

 [root@sun161 helloworld]# gcc main.c 01_hello.c -o main

没有添加-static关键字，gcc默认执行动态链接，即glibc库文件没有包含到可执行文件中。

② 方式二

我们也可以将自己编写的部分代码处理为动态库。

执行下面的指令将hello.o编译为动态链接库libhello.so。

 [root@sun161 helloworld]# gcc -fPIC -shared -o libhello.so hello.o

-fPIC：这个选项告诉编译器为“位置无关代码（Position Independent Code）”生成输出。在创建共享库时使用这个选项是非常重要的，因为它允许共享库被加载到内存中的任何位置，而不影响其执行。这是因为位置无关代码使用相对地址而非绝对地址进行数据访问和函数调用，使得库在被不同程序加载时能够灵活地映射到不同的地址空间。

-shared：这个选项指示GCC生成一个共享库而不是一个可执行文件。共享库可以被多个程序同时使用，节省了内存和磁盘空间。

-o libhello.so：这部分指定了输出文件的名称。-o选项后面跟着的是输出文件的名字，这里命名为libhello.so。按照惯例，Linux下的共享库名称以lib开头，扩展名为.so（表示共享对象）。

hello.o：这是命令的输入文件，即之前编译生成的目标文件。在这个例子中，GCC会将hello.o中的代码和数据打包进最终的共享库libhello.so中。

上述命令的作用是：使用GCC，采用位置无关代码的方式，从hello.o目标文件创建一个名为libhello.so的动态共享库文件。

使用动态链接库编译新的可执行文件：

 [root@sun161 helloworld]# gcc main.o -L ./ -lhello -o main_d

-L ./：指定了库文件搜索路径。-L选项告诉链接器在哪些目录下查找库文件，./表示当前目录。这意味着在链接过程中，链接器将会在当前目录下搜索指定的库文件。

-lhello：指定了要链接的库。-l选项后面跟库的名称，这里是hello。根据约定，链接器会搜索名为libhello.so（动态库）或libhello.a（静态库）的文件来链接。链接器会根据-L选项指定的路径列表查找这个库。

当前目录下只有libhello.so而没有libhello.a，因此，这条命令的最终效果是动态链接当前目录下的libhello.so库以及默认的glibc库，生成可执行文件main_d。

这时如果我们直接执行main_d文件，会收到以下报错

./main_d: error while loading shared libraries: libhello.so: cannot open shared object file: No such file or directory

这句报错的意思时main_d在执行过程中，没有找到动态链接库文件libhello.so文件，链接失败无法执行。Linux的默认动态链接库文件夹是/lib 和/usr/lib，而我们的libhello.so不在其中，所以我们需要在执行的时候指明额外的动态链接库文件夹。

 LD_LIBRARY_PATH=/opt/c/helloworld LD_LIBRARY_PATH=/opt/c/helloworld ./main_d

（3）混合链接

某些库静态链接，而其他库动态链接。这种方式结合了静态链接和动态链接的优点。

执行下面的指令可以将hello.o编译为静态链接库libhello.a

 ar crv libhello.a hello.o

ar：归档命令，用于处理静态库文件。

crv：ar命令的选项，由三个字符组成，每个字符代表一个选项：

c：创建归档文件。如果指定的归档文件不存在，ar会创建它。

r：替换归档文件中现有的文件或者向归档文件中添加新文件。如果hello.o已经在libhello.a中，它会被新版本替换；如果不存在，则会被添加。

v：详细模式（verbose mode），在处理文件时显示详细信息。使用这个选项，ar会列出它正在执行的操作，包括哪些文件被添加或替换。

libhello.a：要创建或更新的静态库文件的名称。按照惯例，Linux下的静态库文件名以lib开头，并以.a作为文件扩展名。

hello.o：输入文件，即要添加到静态库libhello.a中的目标文件。此处只有一个目标文件hello.o，但ar命令支持同时指定多个文件。

删除动态链接库，如果相同目录下同时存在hello的静态库和动态库文件，链接时会默认选择动态链接。

利用静态库文件生成可执行的main文件：

 gcc main.o -L ./ -lhello -o main

-L ./表示额外的库文件位置为当前目录；

-lhello表示链接libhello.a文件。注意这里要去掉开头的lib前缀和结尾的.a后缀。

编译完成后的main文件同样可以执行，并且不依赖于静态库libhello.a。

可以看到，静态链接libhello.a生成的main比main_d文件要大一些，这是因为hello库的代码被复制到了可执行文件main中，和动态链接相比，执行速度略高，但是二进制代码的复用性差，略微增加了二进制文件的体积。

需要注意的是，虽然我们静态链接了libhello.a库，但是main文件在执行时依然需要动态链接glibc的库。因此，这种方式实质上并非静态链接，而是混合链接。

gblic的动态库和静态库

glibc的动态库和静态库分别位于/usr/lib/x86-64_64-linux-gnu/目录下的libc.so和libc.a文件中。