第一章 HelloWorld 背后没那么简单

1.1 交叉编译 hello.c

使用 GIT 下载所有源码后，本节源码位于如下目录：
01_all_series_quickstart\
04_嵌入式 Linux 应用开发基础知识\source\01_hello

hello.c 的源码如下：

#include <stdio.h> 

/* 执行命令: ./hello weidongshan 
* argc = 2 
* argv[0] = ./hello 
* argv[1] = weidongshan 
*/ 
 
int main(int argc, char **argv) 
{ 
    if (argc >= 2) 
        printf("Hello, %s!\n", argv[1]); 
    else 
        printf("Hello, world!\n"); 
    return 0; 
} 
 

在 Ubuntu 中可以执行以下命令编译、执行：

$ gcc -o hello hello.c 
$ ./hello 
Hello, world! 
$ ./hello weidongshan 
Hello, weidongshan!

上述命令编译得到的可执行程序 hello 可以在 Ubuntu 中运行，但是如果把它放到 ARM 板子上去，它是
无法执行的。因为它是使用 gcc 编译的，是给 PC 机编译的，里面的机器指令是 x86 的。
我们要想给 ARM 板编译出 hello 程序，需要使用交叉编译工具链，比如：

$ arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello hello.c 

这样编译出来的 hello 程序才可以在 ARM 板子上运行。

1.2 请回答这几个问题

① 怎么确定交叉编译器中头文件的默认路径？
进入交叉编译器的目录里，执行：find -name “stdio.h”，它位于一个“include”目录下的根目
录里。
这个“include”目录，就是要找的路径。

② 怎么自己指定头文件目录？
编译时，加上“-I <头文件目录>”这样的选项。

③ 怎么确定交叉编译器中库文件的默认路径？
进入交叉编译器的目录里，执行：find -name lib，可以得到 xxxx/lib、xxxx/usr/lib，一般来说
这 2 个目录就是要找的路径。
如果有很多类似的 lib，进去看看，有很多 so 文件的目录一般就是要找的路径。

④ 怎么自己指定库文件目录、指定要用的库文件？
编译时，加上“-L <库文件目录>”这样的选项，用来指定库目录；
编译时，加上“-labc”这样的选项，用来指定库文件 libabc.so。

1.3 演示 (…)

第二章 GCC 编译器的使用

源文件需要经过编译才能生成可执行文件。在 Windows 下进行开发时，只需要点几个按钮即可编译，集成开发环境(比如 Visual studio)已经将各种编译工具的使用封装好了。Linux 下也有很优秀的集成开发工具，但是更多的时候是直接使用编译工具；即使使用集成开发工具，也需要掌握一些编译选项。
PC 机上的编译工具链为 gcc、ld、objcopy、objdump 等，它们编译出来的程序在 x86 平台上运行。要编译出能在 ARM 平台上运行的程序，必须使用交叉编译工具 xxx-gcc、xxx-ld 等(不同版本的编译器的前缀不一样，比如 arm-linux-gcc)，下面分别介绍。

2.1 配套视频内容大纲

2.1.1 GCC 编译过程(精简版)

一个 C/C++文件要经过预处理(preprocessing)、编译(compilation)、汇编(assembly)和链接(linking)
等 4 步才能变成可执行文件。

在日常交流中通常使用“编译”统称这 4 个步骤，如果不是特指这 4 个步骤中的某一个，本教程也依惯
例使用“编译”这个统称。

cc1 main.c -o /tmp/ccXCx1YG.s 
as -o /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccXCx1YG.s 
 
cc1 sub.c -o /tmp/ccXCx1YG.s 
as -o /tmp/ccn8Cjq6.o /tmp/ccXCx1YG.s 
 
collect2 -o test /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccn8Cjq6.o ....

2.1.2 常用编译选项

在学习时，我们暂时只需要了解下表中的选项。

常用选项 描述
-E 预处理，开发过程中想快速确定某个宏可以使用“-E -dM”
-c 把预处理、编译、汇编都做了，但是不链接
-o 指定输出文件
-I 指定头文件目录
-L 指定链接时库文件目录
-l 指定链接哪一个库文件

2.1.3 怎么编译多个文件

① 一起编译、链接：

gcc -o test main.c sub.c 

② 分开编译，统一链接：

gcc -c -o main.o main.c 
gcc -c -o sub.o sub.c 
gcc -o test main.o sub.o 

2.1.4 制作、使用动态库

制作、编译：

gcc -c -o main.o main.c 
gcc -c -o sub.o sub.c 
gcc -shared -o libsub.so sub.o sub2.o sub3.o(可以使用多个.o 生成动态库) 
gcc -o test main.o -lsub -L /libsub.so/所在目录/ 

运行：
① 先把 libusb.so 放到 PC 或板子上的/lib 目录，然后就可以运行 test 程序。
② 如果不想把 libusb.so 放到/lib，也可以放在某个目录比如/a，然后如下执行：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/a 
./test 

2.1.5 制作、使用静态库

gcc -c -o main.o main.c 
gcc -c -o sub.o sub.c 
ar crs libsub.a sub.o sub2.o sub3.o(可以使用多个.o 生成静态库) 
gcc -o test main.o libsub.a (如果.a 不在当前目录下，需要指定它的绝对或相对路径) 

运行：
不需要把静态库 libsub.a 放到板子上。

2.1.6 很有用的选项

gcc -E main.c // 查看预处理结果，比如头文件是哪个 
gcc -E -dM main.c > 1.txt // 把所有的宏展开，存在 1.txt 里 
gcc -Wp,-MD,abc.dep -c -o main.o main.c // 生成依赖文件 abc.dep，后面 Makefile 会用 

我们的视频会配套写成书：《嵌入式 Linux 应用开发完全手册 升级版》。下面的资料会写进书里，我会写得详细一点。
下面的资料来自 GCC 官方文档及一些中文资料，没必要逐一研读，用到时再翻翻。

2.2 GCC 编译过程

一个 C/C++文件要经过预处理(preprocessing)、编译(compilation)、汇编(assembly)和链接(linking)
等 4 步才能变成可执行文件。

在日常交流中通常使用“编译”统称这 4 个步骤，如果不是特指这 4 个步骤中的某一个，本教程也依惯
例使用“编译”这个统称。
本节文档使用 x86 上的 gcc 来试验，使用 ARM 板的交叉编译工具链做实验时效果也是类似的。不同的
交叉编译器工具链前缀可能不同，比如 arm-linux-gcc。
（1）预处理
C/C++源文件中，以“#”开头的命令被称为预处理命令，如包含命令“#include”、宏定义命令“#define”、
条件编译命令“#if”、“#ifdef”等。预处理就是将要包含(include)的文件插入原文件中、将宏定义展开、
根据条件编译命令选择要使用的代码，最后将这些东西输出到一个“.i”文件中等待进一步处理。
（2）编译
编译就是把 C/C++代码(比如上述的“.i”文件)“翻译”成汇编代码，所用到的工具为 cc1(它的名字就
是 cc1，x86 有自己的 cc1 命令，ARM 板也有自己的 cc1 命令)。
（3）汇编
汇编就是将第二步输出的汇编代码翻译成符合一定格式的机器代码，在 Linux 系统上一般表现为 ELF
目标文件(OBJ 文件)，用到的工具为 as。x86 有自己的 as 命令，ARM 版也有自己的 as 命令，也可能是 xxxxas（比如 arm-linux-as）。
“反汇编”是指将机器代码转换为汇编代码，这在调试程序时常常用到。
（4）链接
链接就是将上步生成的 OBJ 文件和系统库的 OBJ 文件、库文件链接起来，最终生成了可以在特定平台运行的可执行文件，用到的工具为 ld 或 collect2。

编译程序时，加上-v 选项就可以看到这几个步骤。比如：

gcc -o hello hello.c -v 

可以看到很多输出结果，我们把其中的主要信息摘出来：

cc1 hello.c -o /tmp/cctETob7.s 
as -o /tmp/ccvv2KbL.o /tmp/cctETob7.s 
collect2 -o hello crt1.o crti.o crtbegin.o /tmp/ccvv2KbL.o crtend.o crtn.o

以上 3 个命令分别对应于编译步骤中的预处理+编译、汇编和链接，ld 被 collect2 调用来链接程序。
预处理和编译被放在了一个命令（cc1）中进行的，可以把它再次拆分为以下两步：

cpp -o hello.i hello.c 
cc1 hello.i -o /tmp/cctETob7.s 

我们不需要手工去执行 cpp、cc1、collect2 等命令，我们直接执行 gcc 并指定不同的参数就可以了。
可以通过各种选项来控制 gcc 的动作，下面介绍一些常用的选项。

常用选项 描述
-E 预处理，开发过程中想快速确定某个宏可以使用“-E -dM”
-c 把预处理、编译、汇编都做了，但是不链接
-o 指定输出文件
-I 指定头文件目录
-L 指定链接时库文件目录
-l 指定链接哪一个库文件

2.3 GCC 总体选项(Overall Option)

（1）-c
预处理、编译和汇编源文件，但是不作链接，编译器根据源文件生成 OBJ 文件。缺省情况下，GCC 通过
用.o'替换源文件名的后缀.c’，.i'，.s’等，产生 OBJ 文件名。可以使用-o 选项选择其他名字。GCC 忽
略-c 选项后面任何无法识别的输入文件。
（2）-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。可以使用-o 选项选择其他名字。GCC 忽略任何不需要汇编的输入文件。 （3）-E 预处理后即停止，不进行编译。预处理后的代码送往标准输出。 （4）-o file 指定输出文件为 file。无论是预处理、编译、汇编还是链接，这个选项都可以使用。如果没有使用-
o’选项，默认的输出结果是：可执行文件为a.out'；修改输入文件的名称是source.suffix’，则它的 OBJ
文件是source.o'，汇编文件是 source.s’，而预处理后的 C 源代码送往标准输出。
（5）-v
显示制作 GCC 工具自身时的配置命令；同时显示编译器驱动程序、预处理器、编译器的版本号。

以一个程序为例，它包含三个文件，代码在 02_options 目录下。下面列出源码：

//File: main.c 
#include <stdio.h> 
#include "sub.h" 

int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int i; 
    printf("Main fun!\n"); 
    sub_fun(); 
    return 0; 
} 
 
 
//File: sub.h 
void sub_fun(void); 

 
//File: sub.c 
void sub_fun(void) 
{ 
    printf("Sub fun!\n"); 
} 

ARM 版本的编译工具与 gcc、ld 等工具的使用方法相似，很多选项是一样的。本节使用 gcc、ld 等工具进行编译、链接，这样可以在 PC 上直接看到运行结果。使用上面介绍的选项进行编译，命令如下：

$ gcc -c -o main.o main.c 
$ gcc -c -o sub.o sub.c 
$ gcc -o test main.o sub.o 

其中，main.o、sub.o 是经过了预处理、编译、汇编后生成的 OBJ 文件，它们还没有被链接成可执行文件；最后一步将它们链接成可执行文件 test，可以直接运行以下命令：

$ ./test 
Main fun! 
Sub fun! 

现在试试其他选项，以下命令生成的 main.s 是 main.c 的汇编语言文件：

$ gcc -S -o main.s main.c 

以下命令对 main.c 进行预处理，并将得到的结果打印出来。里面扩展了所有包含的文件、所有定义的
宏。在编写程序时，有时候查找某个宏定义是非常繁琐的事，可以使用`-dM –E’选项来查看。命令如下：

$ gcc -E main.c

2.4 警告选项(Warning Option)

（1）-Wall
这个选项基本打开了所有需要注意的警告信息，比如没有指定类型的声明、在声明之前就使用的函数、
局部变量除了声明就没再使用等。
上面的 main.c 文件中，第 6 行定义的变量 i 没有被使用，但是使用“gcc –c –o main.o main.c”
进行编译时并没有出现提示。
可以加上-Wall 选项，例子如下：
$ gcc -Wall -c main.c
执行上述命令后，得到如下警告信息：
main.c: In function main': main.c:6: warning: unused variable i’
这个警告虽然对程序没有坏的影响，但是有些警告需要加以关注，比如类型匹配的警告等。

2.5 调试选项(Debugging Option)

（1）-g
以操作系统的本地格式(stabs，COFF，XCOFF，或 DWARF)产生调试信息，GDB 能够使用这些调试信息。
在大多数使用 stabs 格式的系统上，-g'选项加入只有 GDB 才使用的额外调试信息。可以使用下面的选项 来生成额外的信息：-gstabs+‘，-gstabs'，-gxcoff+’，-gxcoff'，-gdwarf+‘或`-gdwarf’，具体用
法请读者参考 GCC 手册。

2.6 优化选项(Optimization Option)

（1）-O 或-O1
优化：对于大函数，优化编译的过程将占用稍微多的时间和相当大的内存。不使用-O'或-O1’选项的
目的是减少编译的开销，使编译结果能够调试、语句是独立的：如果在两条语句之间用断点中止程序，可以对任何变量重新赋值，或者在函数体内把程序计数器指到其他语句，以及从源程序中精确地获取你所期待的结果。
不使用-O'或-O1’选项时，只有声明了 register 的变量才分配使用寄存器。
使用了-O'或-O1’选项，编译器会试图减少目标码的大小和执行时间。如果指定了-O'或-O1’选项,，
-fthread-jumps'和-fdefer-pop’选项将被打开。在有 delay slot 的机器上，-fdelayed-branch'选项将 被打开。在即使没有帧指针 (frame pointer)也支持调试的机器上，-fomit-frame-pointer’选项将被打
开。某些机器上还可能会打开其他选项。

（2）-O2
多优化一些。除了涉及空间和速度交换的优化选项，执行几乎所有的优化工作。例如不进行循环展开
(loop unrolling)和函数内嵌(inlining)。和-O'或-O1’选项比较，这个选项既增加了编译时间，也提高
了生成代码的运行效果。

（3）-O3
优化的更多。除了打开-O2 所做的一切，它还打开了-finline-functions 选项。

（4）-O0
不优化。

如果指定了多个-O 选项，不管带不带数字，生效的是最后一个选项。
在一般应用中，经常使用-O2 选项，比如对于 options 程序：

$ gcc -O2 -c -o main.o main.c 
$ gcc -O2 -c -o sub.o sub.c 
$ gcc -o test main.o sub.o 

2.7 链接器选项(Linker Option)

下面的选项用于链接 OBJ 文件，输出可执行文件或库文件。
（1）object-file-name
如果某些文件没有特别明确的后缀(a special recognized suffix)，GCC 就认为他们是 OBJ 文件或库
文件(根据文件内容,链接器能够区分 OBJ 文件和库文件)。如果 GCC 执行链接操作，这些 OBJ 文件将成为链接器的输入文件。
比如上面的“gcc -o test main.o sub.o”中，main.o、sub.o 就是输入的文件。

（2）-llibrary
链接名为 library 的库文件。
链接器在标准搜索目录中寻找这个库文件，库文件的真正名字是liblibrary.a'。搜索目录除了一些系 统标准目录外，还包括用户以-L’选项指定的路径。一般说来用这个方法找到的文件是库文件──即由 OBJ
文件组成的归档文件(archive file)。链接器处理归档文件的方法是：扫描归档文件，寻找某些成员，这些成员的符号目前已被引用，不过还没有被定义。但是，如果链接器找到普通的 OBJ 文件，而不是库文件，就把这个 OBJ 文件按平常方式链接进来。指定-l'选项和指定文件名的唯一区别是，-l’选项用lib'和.a’把 library 包裹起来，而且搜索一些目录。
即使不明显地使用-llibrary 选项，一些默认的库也被链接进去，可以使用-v 选项看到这点：

$ gcc -v -o test main.o sub.o 

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamiclinker
 /lib/ld-linux.so.2 
-o test 
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../../crt1.o /usr/lib/gcc-lib/i386-redhatlinux/3.2.2/../../../crti.o

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/crtbegin.o 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../.. 
main.o 
sub.o 
-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh 
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/crtend.o 
/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../../crtn.o 

可以看见，除了 main.o、sub.o 两个文件外，还链接了启动文件 crt1.o、crti.o、crtend.o 、crtn.o，
还有一些库文件(-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh)。

（3）-nostartfiles
不链接系统标准启动文件，而标准库文件仍然正常使用：

$ gcc -v -nostartfiles -o test main.o sub.o 

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamiclinker

/lib/ld-linux.so.2 
-o test 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../.. 
main.o 
sub.o 
-lgcc -lgcc_eh -lc -lgcc -lgcc_eh 
/usr/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 08048184

可以看见启动文件 crt1.o、crti.o、crtend.o 、crtn.o 没有被链接进去。需要说明的是，对于一般应
用程序，这些启动文件是必需的，这里仅是作为例子(这样编译出来的 test 文件无法执行)。在编译
bootloader、内核时，将用到这个选项。

（4）-nostdlib
不链接系统标准启动文件和标准库文件，只把指定的文件传递给链接器。这个选项常用于编译内核、
bootloader 等程序，它们不需要启动文件、标准库文件。
仍以 options 程序作为例子：

$ gcc -v -nostdlib -o test main.o sub.o 

输出的信息如下：

/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamiclinker
 /lib/ld-linux.so.2 
-o test 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2 
-L/usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/3.2.2/../../.. 
main.o 
sub.o 
/usr/bin/ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 08048074 
main.o(.text+0x19): In function `main': 
: undefined reference to `printf' 
sub.o(.text+0xf): In function `sub_fun': 
: undefined reference to `printf' 
collect2: ld returned 1 exit status

出现了一大堆错误，因为 printf 等函数是在库文件中实现的。在编译 bootloader、内核时，用到这个
选项──它们用到的很多函数是自包含的。

（5）-static
在支持动态链接(dynamic linking)的系统上，阻止链接共享库。
仍以 options 程序为例，是否使用-static 选项编译出来的可执行程序大小相差巨大：

$ gcc -c -o main.c 
$ gcc -c -o sub.c 
$ gcc -o test main.o sub.o 
$ gcc -o test_static main.o sub.o –static 
$ ls -l test test_static 
-rwxr-xr-x 1 book book 6591 Jan 16 23:51 test 
-rwxr-xr-x 1 book book 546479 Jan 16 23:51 test_static 

其中 test 文件为 6591 字节，test_static 文件为 546479 字节。当不使用-static 编译文件时，程序
执行前要链接共享库文件，所以还需要将共享库文件放入文件系统中。

（6）-shared
生成一个共享 OBJ 文件，它可以和其他 OBJ 文件链接产生可执行文件。只有部分系统支持该选项。
当不想以源代码发布程序时，可以使用-shared 选项生成库文件，比如对于 options 程序，可以如下制
作库文件：

$ gcc -c -o sub.o sub.c 
$ gcc -shared -o libsub.so sub.o 

以后要使用 sub.c 中的函数 sub_fun 时，在链接程序时，指定引脚 libsub.so 即可，比如：

$ gcc -o test main.o -lsub -L /libsub.so/所在的目录/ 

可以将多个文件制作为一个库文件，比如：

$ gcc -shared -o libsub.so sub.o sub2.o sub3.o 

（7）-Xlinker option
把选项 option 传递给链接器。可以用来传递系统特定的链接选项，GCC 无法识别这些选项。如果需要传递携带参数的选项，必须使用两次-Xlinker'，一次传递选项，另一次传递其参数。例如，如果传递-
assert definitions’，要成-Xlinker -assert -Xlinker definitions'，而不能写成-Xlinker “-assert
definitions”'，因为这样会把整个字符串当做一个参数传递，显然这不是链接器期待的。

（8）-Wl,option
把选项 option 传递给链接器。如果 option 中含有逗号，就在逗号处分割成多个选项。链接器通常是通过 gcc、arm-linux-gcc 等命令间接启动的，要向它传入参数时，参数前面加上`-Wl,’。

（9）-u symbol
使链接器认为取消了 symbol 的符号定义，从而链接库模块以取得定义。可以使用多个 `-u’选项，各自
跟上不同的符号，使得链接器调入附加的库模块。

2.8 目录选项(Directory Option)

下列选项指定搜索路径，用于查找头文件，库文件，或编译器的某些成员。
（1）-Idir
在头文件的搜索路径列表中添加 dir 目录。
头文件的搜索方法为：如果以“#include < >”包含文件，则只在标准库目录开始搜索(包括使用-Idir
选项定义的目录)；如果以“#include “ ””包含文件，则先从用户的工作目录开始搜索，再搜索标准库
目录。

（2）-I
任何在-I-'前面用-I’选项指定的搜索路径只适用于#include "file"'这种情况；它们不能用来搜索#include '包含的头文件。如果用-I'选项指定的搜索路径位于-I-'选项后面，就可以在这些路径中搜索所有的#include'指令(一般说来-I 选项就是这么用的)。还有，-I-'选项能够阻止当前目录(存放当前输入文件的地方)成为搜索#include "file"'的第一选择。 -I-'不影响使用系统标准目录，因此，-I-'和-nostdinc’是不同的选项。

（3）-Ldir
在`-l’选项的搜索路径列表中添加 dir 目录。
仍使用 options 程序进行说明，先制作库文件 libsub.a：

$ gcc -c -o sub.o sub.c 
$ gcc -shared -o libsub.a sub.o 

编译 main.c：

$ gcc -c -o main.o main.c 

链接程序，下面的指令将出错，提示找不到库文件：

$ gcc -o test main.o -lsub 
/usr/bin/ld: cannot find -lsub 
collect2: ld returned 1 exit status 

可以使用-Ldir 选项将当前目录加入搜索路径，如下则链接成功：

$ gcc -o test main.o -lsub 
/usr/bin/ld: cannot find -lsub 
collect2: ld returned 1 exit status 

（4）-Bprefix
这个选项指出在何处寻找可执行文件，库文件，以及编译器自己的数据文件。编译器驱动程序需要使用某些工具，比如：cpp'，cc1’ (或 C++的cc1plus')，as’和ld'。它把 prefix 当作欲执行的工具的前缀，这个前缀可以用来指定目录，也可以用来修改工具名字。 对于要运行的工具，编译器驱动程序首先试着加上-B’前缀(如果存在)，如果没有找到文件，或没有指定-B'选项，编译器接着会试验两个标准前缀/usr/lib/gcc/'和/usr/local/lib/gcc-lib/'。如果仍然没能够找到所需文件，编译器就在PATH’环境变量指定的路径中寻找没加任何前缀的文件名。如果有需要，运行时(run-time)支持文件libgcc.a'也在-B’前缀的搜索范围之内。如果这里没有找到，就在上面提到的两个标准前缀中寻找，仅此而已。如果上述方法没有找到这个文件，就不链接它了。多数情况的多数机器上，
libgcc.a'并非必不可少。 可以通过环境变量 GCC_EXEC_PREFIX 获得近似的效果；如果定义了这个变量，其值就和上面说的一样被用作前缀。如果同时指定了-B’选项和 GCC_EXEC_PREFIX 变量，编译器首先使用`-B’选项，然后才尝试环境变量值。

2.9 ld/objdump/objcopy 选项

我们在开发 APP 时，一般不需要直接调用这 3 个命令；在开发裸机、bootloader 时，或是调试 APP 时会涉及，到时再讲。