Linux中gcc的编译、静态库和动态库的制作

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gcc是文本编译器，就是编译代码的工具，下面介绍gcc编译C语言（.c文件）的流程。

1 gcc的编译过程

1.1 gcc的编译过程

gcc的编译分为以下四个阶段：

• gcc预处理器：把.c文件编译成预处理的.i文件
• gcc编译器：把预处理的.i文件编译成.s的汇编文件
• gcc汇编器：把.s的汇编文件编译成.o的二进制文件
• gcc链接器：把.o的二进制文件链接成一个可执行文件

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四个阶段的编译命令：

• 预处理：gcc -E hello.c -o hello.i
• 编译：gcc -S hello.i -o hello.s
• 汇编：gcc -c hello.s -o hello.o
• 链接：gcc hello.o -o hello

上面的四个过程也可以用一个命令执行，直接生成可执行的文件：

gcc hello.c -o hello
# 或
gcc hello.c    # 没有指定输出问价名，默认是生成一个a.out可执行文件。

注意：

1、记忆参数可以用ESc，-o参数是指定输出文件的名字
2、在windows下，如果gcc hello.c，默认生成的可执行文件为a.exe；如果gcc hello.c -o myapp，会直接生成可执行文件myapp.exe，自动添加后缀。
3、在第二阶段把预处理的.i文件编译成.s的汇编文件最浪费时间。
4、即使是直接生成可执行文件，但是也是经过了预处理、编译、汇编、链接这些过程，只是没有生成中间的这些文件。

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四个阶段的具体功能：

• 预处理：1）把.c文件中的头文件展开添加到.i预处理文件的开头；2）然后把.c文件代码添加到.i的头文件内容之后；3）把宏定义的量值替换为具体的值，去掉原代码中的注释。

• 编译：把c文件翻译成汇编文件，就是两种程序语法的转化。

• 汇编：把汇编文件编程二进制文件，此时的文件已经看不出具体的内容。

• 链接：将函数库中相应的代码组合到目标文件中。

1.2 gcc的常用参数

下面具体实例：

一、执行文件和头文件同级目录

1、创建一个sum.c文件，内容如下：

#include <stdio.h>
// 双引号导入的头文件是自己写的
#include "head.h"
#define DEBUG

// main是入口函数
int main(void)
{
    int a = NUM1;
    int aa;
    int b = NUM2;
    int sum = a + b;
    // 这是一个加法运算
#ifdef DEBUG
    printf("The sum value is : %d + %d = %d\n", a, b, sum);
#endif
    return 0;   
}

2、在sum.c的同级创建head.h头文件，内容如下：

#ifndef __HEAD_H_
#define __HEAD_H_

#define NUM1 10
#define NUM2 20
#endif

两个文件的层级结构，同级目录：

├── head.h
├── sum.c

3、预处理：gcc -E sum.c -o sum.i

执行完之后用vi sum.i查看预处理之后的sum.i内容，如下：

从文件中可以看到，文件内容很长，之前的导入的头文件，被替换为具体的头文件代码内容，代码中的宏定义量被替换为具体的值，代码中的注释被去掉。（相当于做菜食材的准备阶段）

4、编译：gcc -S sum.i -o sum.s

编译就是把预处理的.i文件编译成.s的汇编语言，编译之后的sum.s内容，如下：

从文件中可以看出，这个文件显示的已经不是C语言编写的代码，已经被转换为汇编语言的代码，如果你对单片机了解，你可能也对汇编语言的语法有所了解。（编译：就是把C语言翻译成汇编语言）

5、汇编：gcc -c sum.s -o sum.o

汇编就是把汇编文件变成二进制文件，汇编之后的sum.o内容，如下：

从文件中可以看出，汇编成二进制文件之后，里面的内容已经看不出来了。

6、链接：gcc sum.o -o sum

使用gcc链接器把二进制文件链接成一个可执行文件，将函数库中相应的代码组合到目标文件中。通过./sum即可执行该可执行文件，执行结果如下：

如果你打开可执行文件sum，显示的内容和sum.o差不多。

二、执行文件和头文件同级目录

目录层级结构：

├── include
│   └── head.h
├── sum.c

如果直接编译（gcc sum.c -o sum），会提示找不到头文件，如下：

找不到头文件有两种解决方法：

• 直接在程序编写的时候指定头文件的位置
• 在编译的时候用-I参数，指定头文件所在的文件夹位置

gcc sum.c -I ./include -o sum

三、gcc的其他参数使用

1、参数-D：指定一个宏定义

上面的程序中有printf()打印程序调试的log信息，但是程序发布的时候，我们是不需要这些log信息的，当然我们可以通过加调试的#define DEBUG宏的声明，但是，程序中需要调试输出的log信息比较多的时候，这种方法显然不合适。

现在我们把DEBUG的宏定义注释掉

#include <stdio.h>
// 双引号导入的头文件是自己写的
#include "head.h"
//#define DEBUG

// main是入口函数
int main(void)
{
    int a = NUM1;
    int aa;
    int b = NUM2;
    int sum = a + b;
    // 这是一个加法运算

// 程序有 DEBUG宏定义，程序才会执行prinf()
#ifdef DEBUG
    printf("The sum value is : %d + %d = %d\n", a, b, sum);
#endif
    return 0;   
}

然后再执行:

>>>gcc sum.c -o sum
>>>./sum

结果：

并不会输出print打印的信息了，如果再次打印出信息呢，此时可以通过参数-D，在执行命令的时候给程序指定一个宏，如下：

>>>gcc sum.c -o sum -D DEBUG
>>>./sum

此时就可以打印出printf()信息了。

总结：

-D参数的作用：不在程序中定义宏，在程序编译的时候定义。不指定，在程序预处理的时候，printf()就会被删掉了。

2、-O参数：程序预处理的时候对代码优化

在程序预处理的时候对代码进行优化，把冗余的代码去掉，有三个优化等级：

• -O1：优化等级低
• -O2：优化等级中
• -O3：优化等级高

举个例子：

int a = 10
int b = a
int c = b
int d = c

# 优化完之后就是
int d = 10  // 就是对d的一个赋值操作

3、-Wall参数：输出程序中的警告信息

例如我们在程序中定义一个变量int aa;，但是没有使用，此时就会输出警告信息。

4、-g参数：在程序中添加一些调试信息

gcc sum.c -o sum -g

• 加-g参数之后，输出的可执行文件会比不加的大（因为包含调试信息）
• 程序发布是不需要加-g参数
• 调试需要加-g参数，否则没有调试信息不可以调试。（gdb调试的时候必须加此参数）

总结：

参数：-E、-S，不是很重要，-c比较重要，后面我们在制作静态库和动态库的时候需要用到生成的.o二进制值文件。

2 gcc 静态库的制作

比如你和别人做项目合作，你不可能直接把源代码给被人，那样被人就可以自己开发，因为源代码就是你的核心技术。你不应该卖给他源代码，而是应该是程序，这样你就可以根据他有什么需求进行改或添加什么功能模块等，就可以改一次就可以收费一次，这样就可以有一个长期合作。

那应该给到客户的是什么呢？

• 生成的库
• 头文件

这样把生成的库和头文件给客户也能够使用，只是他不知道里面具体怎么实现的。这样二者才能维持一个长期的合作。

头文件对应的.c文件都被打包到了静态库和动态库里面了。

2.1 静态库的制作流程

一、静态库的制作

1、命名规则

• 1）lib + 库的名字 + .a
• 2）例如：libmytest.a

2、制作步骤:

• 1）生成对应的.o二进制文件 .c --> .o eg：gcc sum.c -c sum.o
• 2）将生成的.o文件打包，使用ar rcs + 静态库的名字(libMytest.a) + 生成的所有的.o
• 3）发布和使用静态库:
  • 发布静态库
  • 头文件

说明：

• 把.c文件，也就是源代码转化成.o的二进制文件之后，客户就不知道到你的核心技术具体是怎么实现的了。
• ar是对.o的二进制文件进行打包，rcs是打包参数，把所有的.o二进制文件打包成一个.a文件，即：静态库。因此：静态库是一个打包了二进制文件的集合。
• 接口API是在头文件中体现出来的。

实例：

目录结构：

Calc
├── include
│   └── head.h
├── lib
├── main.c
└── src
    ├── add.c
    ├── div.c
    ├── mul.c
    └── sub.c

说明：

• include文件夹：存放头文件，提供给用户调用的接口API
• lib文件夹：存放库文件，即：生成的静态库、动态库
• src文件夹：存放源文件
• main.c程序：是用户调用head.h头文件里面的接口，然后在调用静态库里面我们实现的算法（只不过已经不是源码，而是被编译成二进制文件）

下面开始吧：

源代码 src/add.c实现的是加法运算：

#include "head.h"

int add(int a, int b)
{
    int result = a + b;
    return result;
}

头文件 include/head.h实现是对源代码调用的接口API：

#ifndef __HEAD_H_
#define __HEAD_H_
int add(int a, int b);
int sub(int a, int b);
int mul(int a, int b);
int div(int a, int b);
#endif

main.c是对头文件调用，然后调用静态文件，对算法的使用，但是并不知道算法的具体实现源代码

#include <stdio.h>
#include "head.h"

int main(void)
{
    int sum = add(2, 24);
    printf("sum = %d\n", sum);
    return 0;
}

用户在main.c中引入头文件#include "head.h",即在./include/head.h，就可以使用./include/head.h中定义的接口int add(int a, int b);,当main.c程序执行到add(int a, int b);接口时，就会到./src文件夹下找静态文件（打包的二进制文件——即：加法算法的具体实现）

---

下面是具体的制作流程：

shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ tree
.
├── include
│   └── head.h
├── lib
├── main.c
└── src
    ├── add.c
    ├── div.c
    ├── mul.c
    └── sub.c

3 directories, 6 files
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ cd src
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  div.c  mul.c  sub.c

1、源代码生成二进制文件（.o文件）
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ gcc *.c -c -I ../include
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  add.o  div.c  div.o  mul.c  mul.o  sub.c  sub.o

2、对生成的二进制文件（.o文件），打包成静态文件（.a文件），并移动到lib目录下
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ar rcs libMyCalc.a *.o
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  add.o  div.c  div.o  libMyCalc.a  mul.c  mul.o  sub.c  sub.o
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ mv libMyCalc.a ../lib
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ cd ..
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ ls

3、调用include目录下的头文件（即：封装的API接口）
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ gcc main.c lib/libMyCalc.a -I ./include -o sum
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ ls
include  lib  main.c  src  sum
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ ./sum
sum = 26
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ 

主要：

• 制作好的静态文件要放到lib目录下
• 调用头文件中的接口API，然后用gcc编译的自己调用的main.c文件，需要加上静态文件（.a文件）。
• 程序发布的时候只需要给用户的文件：
  • 1）include目录下的头文件（head.h）：封装的是具体算法实现的接口API
  • 2）lib目录下的静态文件（.a文件）：是源代码编译的之后的二进制文件（.o文件），然后被打包成静态文件（.a文件）

用于另外一种调用静态库的方法为：

gcc main.c -Iinclude -L lib -l MyCalc -o myapp

参数说明：

• -I参数：指定头文所在的文件夹名，文件夹名可以和参数贴着写在一起
• -L参数：指定静态库的文件夹名
• -l参数：指定静态库的名字，但名字要掐头去尾，eg：原静态库名字为libMyCalc.a，在指定-l参数值的时候为：-l MyCalc
• -o参数：输出编译之后可执行文件的名字

注意：

之所以用-l指定静态库的名字，是因为lib目录下可能有多个静态库文件，但是我们只需要使用其中的某一个，此时可以用这种方法指定相应的静态库文件。

二、静态库相关文件查看

1、nm命令查看静态库

可以使用nm命令查看静态库文件中具体打包了哪些二进制文件即.o文件

2、nm命令查看生成的可执行文件

T：代表的含义是把add代码会被放到代码区

2.2 静态库的优缺点

1、通过静态库生成可执行文件

• 静态库中封装了多个.o文件
• main.c 中调用静态库中相应可执行文件（二进制文件）中的函数
• 图中只调用了add.o和sub.o中的函数，因此main.c在生成可执行文件的时候只会把静态文件中的add.o和sub.o两个文件打包到可执行文件中，静态文件中的其他没有用到的.o文件不会被打包进可执行文件中。
• 在生成可执行文件的时候也是以.o可执行文件为单位打包的，并不会把整个静态文件.a都打包到可执行文件中。

静态库的优点：

• 1）发布程序的时候，不需要提供对应的库了，因为库已经被打包到了可执行文件中去了。
• 2）库的加载速度比较快，因为库已经被打包到可执行文件中去了。

静态库的缺点：

• 1） 库被打包到应用程序（最后生成的可执行文件）中，如果库很多的话就会导致应用程序的体积很大。
• 2）库发生了改变，需要重新编译程序，如果源代码比较多，可能编译一遍一天就过去了。

3 gcc 动态库 / 共享库 的制作

动态库也叫共享库，在windows中对用.dll文件

3.1 动态库 / 共享库的制作流程

一、动态库相关说明

1、命名规则:

• 1）lib + 名字 + .so
• 2）例如：libMyCalc.so

2、制作步骤:

• 1）生成与位置无关的代码 (生成与位置无关的.o)
• 2）将.o打包成共享库(动态库)
• 3）发布和使用共享库:

注意：

• 静态库生成的.o文件是和位置有关的
• 用gcc生成和位置无关的.o文件，需要使用参数-fPIC（常用） 或 -fpic

二、动态库制作相关实例

在了解什么叫生成和位置无关的.o文件，我们来先了解一下虚拟地址空间。

linux上打开一个运行的程序（进程），操作系统就会为其分配一个（针对32位操作系统）0-4G的地址空间（虚拟地址空间），虚拟地址空间不是在内存中，而是来自硬盘的存储空间。

从下到上：

0-3G：是用户区

• .text 代码段：存放的是代码
• .data ：存放的是已初始化的变量
• .bss：存放的是未初始化的变量
• 堆空间：
• 共享库：动态库的空间，每次程序运行的时候把动态库加载到这个空间
• 栈空间：我们定义的局部变量都是在栈空间分配的内存
• 命令行参数
• 环境变量

在往上 3-4G是内核区

• 静态库生成与位置有关的二进制文件（.o文件）

虚拟地址空间是从0开始的，生成的二进制文件(.o文件)会被放到代码段，即.text代码区。生成的.o代码每次都被放到同一个位置，是因为使用的是绝对地址。

• 动态库生成与位置无关的二进制文件（.o文件）

动态库 / 共享库 在程序打包的时候并不会把.o文件打包到可执行文件中，只是做了一个记录，当程序运行之后才去把动态库加载到程序中，也就是加载到上图中的共享库空间，但是每次加载到共享库空间的位置可能不同。
还是和上面静态库制作同样的目录结构：

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动态库制作实例

Calc
├── include
│   └── head.h
├── lib
├── main.c
└── src
    ├── add.c
    ├── div.c
    ├── mul.c
    └── sub.c

shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ cd src/
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  div.c  mul.c  sub.c

1、把源码生成和位置无关的二进制文件
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ gcc -fPIC -c *c -I ../include
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  add.o  div.c  div.o  mul.c  mul.o  sub.c  sub.o

2、使用gcc把生成的二进制文件（.o文件），打包成动态库（.so文件）
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ gcc -shared -o libMyCalc.so *o -Iinclude
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ ls
add.c  add.o  div.c  div.o  libMyCalc.so  mul.c  mul.o  sub.c  sub.o

3、把生成的动态库文件移动到lib目录下
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$  mv libMyCalc.so ../lib
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc/src$ cd ..
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ ls
include  lib  main.c  src
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ 

参数说明：

• -PIC：生成和位置无关的.o文件
• -shared：共享，就是把.o文件，打包成动态库 / 共享库

上面就已经完成动态库的制作，然后把下面的两个文件发布给用户即可调用

• include/head.h： 头文件，定义接口API
• lib/libMyCalc.so：动态库，封装了编译之后的源代码二进制文件

用户使用动态库

用户使用动态库和静态库一样有两种方法：

• 用户使用动态库方法一：

gcc main.c lib/libMyCalc.so -o app -Iinclude

• 用户使用动态库方法二：

gcc main.c -Iinclude -L lib -l MyCalc -o myapp

3.2 动态库查找不到解决方法

我们可以看到，第二种方法，至执行可执行程序的时候，提示找不到动态库，这并不一定是动态库文件不存在，可能是由于链接不到

是不是真的链接不到，我们可以通过一个命令ldd：查看可执行文件在执行的时候，依赖的所有共享库/动态库（.so文件）

ldd命令使用：

ldd 可执行文件名

shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ ldd myapp 
	linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fff59d26000)  # 后面的数字是库的地址
	# 提示我们自己的动态库 / 共享库 libMyCalc.so没有找到
	libMyCalc.so => not found
	# libc.so.6 是linux下的标准C库 （写C程序都会调用标准C库里的一些函数）
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f1e27462000)
	# 动态链接器，动态链接器的本质就是一个动态库
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f1e2782c000)
shliang@shliang-vm:~/shliang/gcc_learn/Calc$ 

如上图：可执行程序./a.out在执行的时候，调用需要调用动态库libmytest.so，但是实际上这个调用是通过动态链接器的来调用的。动态库就是通过动态链接器--/lib64/ld-linux-x86-64.so.2加载到我们的可执行程序（应用程序）中的。

那么动态链接器是-- /lib64/ld-linux-x86-64.so.2是通过什么规则查找可执行文件在执行时，需要的动态文件的呢？

其实就是通过环境变量

在linux下查看环境变量：

echo $PATH

当然PATH下并不是存放动态库的路径，这里只是做一个演示，如何查看环境变量。

一、动态库查找不到解决方法一（不推荐——不允许使用）

把自己制作的动态库放到根目录下的系统动态库中，即/lib目录下

sudo cp ./lib/libMyCalc.so /lib

从上面的结果可以看到，把自己制作的动态库拷贝到系统动态库中之后，动态链接器根据环境变量就可以找到这个动态库，然后正确加载到可执行程序中。

注意：

这种方法一般不会使用的，因为如果你的动态库的名字和系统中某个动态库的名字一样，就可能会导致系统奔溃的！！！这里只是做一个演示，证明动态链接器是根据环境变量去查找要加载的动态库。

二、动态库查找不到解决方法二（临时测试设置）

通过把动态库添加到动态库环境变量中，即：LD_LIBRARY_PATH

使用export添加环境变量，把当前动态库所在的位置（文件夹位置）添加到LD_LIBRARY_PATH变量中，可执行程序在执行的时候会在默认的动态库之前从LD_LIBARAY_PATH变量中查找有没有所需动态库。

# export
export LD_LIBARAY_PATH=./lib

注意：

但是，这种方法只是临时的，当我们关闭终端，下次再执行程序又会提示找不到动态库。因此，这钟方法一般是再开发动态库的过程中，用于临时的测试。

三、动态库查找不到解决方法三（永久设置——不常用）

在当前用户的家目录（home）下的.bashrc文件中配置LD_LIBRARY_PAHT环境变量。

cd ~
vi .bashrc

# 然后再最后一行添加一个环境变量，如果没有就创建(Shift+G跳到最后一行)
# 然后把动态库的绝对路径赋值给该变量
export LD_LIBARAY_PATH=/home/shliang/shliang/gcc_learn/Calc/lib

# 保存退出，用source激活配置，如果不激活需要重启终端，因为终端每次重启都会从.bashrc中加载一次配置
source .bashrc

上面添加完环境变量之后就可以找到动态库了。

四、动态库查找不到解决方法四（永久设置）

这种方法，相对与前三种复杂一些，一定要掌握，可能以后用作中用到的就是这种。做法如下：

1、需要找到动态连接器的配置文件：/etc/ld.so.conf
2、把我们自己制作的动态库目录的绝对路径写到配置文件中
3、更新配置文件：sudo ldconfig -v

• ld：dynamic library 动态库的缩写
• -v ：是更细配置文件的时候输出更新信息。

修改配置文件的路径位置：/etc/ld.so.conf

把/home/shliang/shliang/gcc_learn/Calc/lib添加到/etc/ld.so.conf配置文件中

之后就可以找到动态库了，如下：

3.3 动态库的优缺点

1、动态库的优点

• 执行程序的体积小：程序在执行的时候采取加载动态库，并没有和可执行程序打包在一起
• 动态库更新了，不需要重新编译程序（不是绝对的，前提是函数的接口不变，内容便里没事）

2、动态库的缺点

• 程序发布的时候，需要把动态库提供给用户
• 动态库没有被打包到应用程序中，加载速度相对较慢

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