gcc （GNU编译器套件）

1万 · 2016-12-3 21:34

GNU编译器套件（GNU Compiler Collection）包括C、C++、Objective-C、Fortran、Java、Ada和Go语言的前端，也包括了这些语言的库（如libstdc++、libgcj等等）。GCC的初衷是为GNU操作系统专门编写的一款编译器。GNU系统是彻底的自由软件。此处，“自由”的含义是它尊重用户的自由。
创作背景
GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套件），是由 GNU 开发的编程语言编译器。它是以GPL许可证所发行的自由软件，也是 GNU计划的关键部分。GCC原本作为GNU操作系统的官方编译器，现已被大多数类Unix操作系统（如Linux、BSD、Mac OS X等）采纳为标准的编译器，GCC同样适用于微软的Windows。[2] GCC是自由软件过程发展中的著名例子，由自由软件基金会以GPL协议发布。
GCC 原名为 GNU C 语言编译器（GNU C Compiler），因为它原本只能处理 C语言。GCC 很快地扩展，变得可处理 C++。后来又扩展能够支持更多编程语言，如Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada、Go以及各类处理器架构上的汇编语言等，所以改名GNU编译器套件（GNU Compiler Collection）。

结构编辑
GCC的外部接口长得像一个标准的Unix编译器。使用者在命令列下键入gcc之程序名，以及一些命令参数，以便决定每个输入档案使用的个别语言编译器，并为输出程序码使用适合此硬件平台的组合语言编译器，并且选择性地执行连接器以制造可执行的程序。
每个语言编译器都是独立程序，此程序可处理输入的原始码，并输出组合语言码。全部的语言编译器都拥有共通的中介架构：一个前端解析符合此语言的原始码，并产生一抽象语法树，以及一翻译此语法树成为GCC的暂存器转换语言〈RTL〉的后端。编译器最佳化与静态程序码解析技术（例如FORTIFY_SOURCE，一个试图发现缓冲区溢位〈buffer overflow〉的编译器）在此阶段应用于程序码上。最后，适用于此硬件架构的组合语言程序码以Jack Davidson与Chris Fraser发明的算法产出。
几乎全部的GCC都由C写成，除了Ada前端大部分以Ada写成。
前端接口
前端的功能在于产生一个可让后端处理之语法树。此语法解析器是手写之递归语法解析器。
直到2004年，程序的语法树结构尚无法与欲产出的处理器架构脱钩。而语法树的规则有时在不同的语言前端也不一样，有些前端会提供它们特别的语法树规则。
在2005年，两种与语言脱钩的新型态语法树纳入GCC中。它们称为GENERIC与GIMPLE。语法解析变成产生与语言相关的暂时语法树，再将它们转成GENERIC。之后再使用"gimplifier"技术降低GENERIC的复杂结构，成为一较简单的静态唯一形式（Static Single Assignment form，SSA）基础的GIMPLE形式。此形式是一个与语言和处理器架构脱钩的全域最佳化通用语言，适用于大多数的现代编程语言。
中介接口
一般编译器作者会将语法树的最佳化放在前端，但其实此步骤并不看语言的种类而有不同，且不需要用到语法解析器。因此GCC作者们将此步骤归入通称为中介阶段的部分里。此类的最佳化包括消解死码、消解重复运算与全域数值重编码等。许多最佳化技巧也正在实作中。
后端接口
GCC后端的行为因不同的前处理器宏和特定架构的功能而不同，例如不同的字符尺寸、呼叫方式与大小尾序等。后端接口的前半部利用这些讯息决定其RTL的生成形式，因此虽然GCC的RTL理论上不受处理器影响，但在此阶段其抽象指令已被转换成目标架构的格式。
GCC的最佳化技巧依其释出版本而有很大不同，但都包含了标准的最佳化算法，例如循环最佳化、执行绪跳跃、共通程序子句消减、指令排程等等。而RTL的最佳化由于可用的情形较少，且缺乏较高阶的资讯，因此相比较起来，增加的GIMPLE语法树形式，便显得比较不重要。
后端经由一次重读取步骤后，利用描述目标处理器的指令集时所取得的信息，将抽象暂存器替换成处理器的真实暂存器。此阶段非常复杂，因为它必须关注所有GCC可移植平台的处理器指令集的规格与技术细节。
后端的最后步骤相当公式化，仅仅将前一阶段得到的汇编语言代码藉由简单的子例程转换其暂存器与内存位置成相对应的机器码。

1万 · 2016-12-3 21:34

基本用法编辑
在使用GCC编译器的时候，我们必须给出一系列必要的调用参数和文件名称。GCC编译器的调用参数大约有100多个，这里只介绍其中最基本、最常用的参数。具体可参考GCC Manual。
GCC最基本的用法是∶gcc [options] [filenames]
其中options就是编译器所需要的参数，filenames给出相关的文件名称。
-c，只编译，不链接成为可执行文件，编译器只是由输入的.c等源代码文件生成.o为后缀的目标文件，通常用于编译不包含主程序的子程序文件。
-o output_filename，确定输出文件的名称为output_filename，同时这个名称不能和源文件同名。如果不给出这个选项，gcc就给出预设的可执行文件a.out。
-g，产生符号调试工具(GNU的gdb)所必要的符号资讯，要想对源代码进行调试，我们就必须加入这个选项。
-O，对程序进行优化编译、链接，采用这个选项，整个源代码会在编译、链接过程中进行优化处理，这样产生的可执行文件的执行效率可以提高，但是，编译、链接的速度就相应地要慢一些。
-O2，比-O更好的优化编译、链接，当然整个编译、链接过程会更慢。
-Idirname，将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中，是在预编译过程中使用的参数。C程序中的头文件包含两种情况∶
A)#include <myinc.h>
B)#include “myinc.h”
其中，A类使用尖括号(< >)，B类使用双引号(“ ”)。对于A类，预处理程序cpp在系统预设包含文件目录(如/usr/include)中搜寻相应的文件，而B类，预处理程序在目标文件的文件夹内搜索相应文件。
-v gcc执行时执行的详细过程，gcc及其相关程序的版本号
原版gcc manual该选项英文解释
Print (on standard error output) the commands executed to run the stages of compilation. Also print the version number of the compiler driver program and of the preprocessor and the compiler proper.
编译程序时加上该选项可以看到gcc搜索头文件/库文件时使用的搜索路径！

1万 · 2016-12-3 21:35

基本规则编辑
gcc所遵循的部分约定规则：
.c为后缀的文件，C语言源代码文件；
.a为后缀的文件，是由目标文件构成的档案库文件；
.C，.cc或.cxx 为后缀的文件，是C++源代码文件且必须要经过预处理；
.h为后缀的文件，是程序所包含的头文件；
.i 为后缀的文件，是C源代码文件且不应该对其执行预处理；
.ii为后缀的文件，是C++源代码文件且不应该对其执行预处理；
.m为后缀的文件，是Objective-C源代码文件；
.mm为后缀的文件，是Objective-C++源代码文件；
.o为后缀的文件，是编译后的目标文件；
.s为后缀的文件，是汇编语言源代码文件；
.S为后缀的文件，是经过预编译的汇编语言源代码文件。

1万 · 2016-12-3 21:36

语言支持编辑
以2006年5月24日释出的4.1.1版为准，本编译器版本可处理下列语言：
Ada 〈GNAT〉
C 〈GCC〉
C++（G++）
Fortran 〈Fortran 77: G77, Fortran 90: GFORTRAN〉
Java 〈编译器：GCJ；解释器：GIJ〉
Objective-C 〈GOBJC〉
Objective-C++
先前版本纳入的CHILL前端由于缺乏维护而被废弃。
Fortran前端在4.0版之前是G77，此前端仅支援Fortran 77。在本版本中，G77被废弃而采用更新的GFortran，因为此前端支援Fortran 95。
下列前端依然存在：
Modula-2
Modula-3
Pascal
PL/I
D语言
Mercury
VHDL

1万 · 2016-12-3 21:37

执行过程编辑
虽然我们称GCC是C语言的编译器，但使用gcc由C语言源代码文件生成可执行文件的过程不仅仅是编译的过程，而是要经历四个相互关联的步骤∶预处理(也称预编译，Preprocessing)、编译(Compilation)、汇编(Assembly)和链接(Linking)。
命令gcc首先调用cpp进行预处理，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)进行分析。接着调用cc1进行编译，这个阶段根据输入文件生成以.i为后缀的目标文件。汇编过程是针对汇编语言的步骤，调用as进行工作，一般来讲，.S为后缀的汇编语言源代码文件和汇编、.s为后缀的汇编语言文件经过预编译和汇编之后都生成以.o为后缀的目标文件。当所有的目标文件都生成之后，gcc就调用ld来完成最后的关键性工作，这个阶段就是连接。在连接阶段，所有的目标文件被安排在可执行程序中的恰当的位置，同时，该程序所调用到的库函数也从各自所在的档案库中连到合适的地方。

1万 · 2016-12-3 21:39

本帖最后由 734774645 于 2016-12-3 21:41 编辑

执行过程示例

示例代码

#include<stdio.h>

int main(void)
{
printf("hello\n");
return 0;
}

预编译过程

这个过程处理宏定义和include，并做语法检查。
可以看到预编译后，代码从6行扩展到了910行。
gcc -E a.c -o a.i
cat a.c|wc -l
5
cat a.i|wc -l
910

编译过程
这个阶段，生成汇编代码。
1
2
3
gcc -S a.i -o a.s
cat a.s|wc-l
59

汇编过程
这个阶段，生成目标代码。
此过程生成ELF格式的目标代码。

gcc -c a.s -o a.o
file a.o
a.o:ELF64-bitLSBrelocatable,AMDx86-64,version1(SYSV),notstripped

链接过程

链接过程。生成可执行代码。链接分为两种，一种是静态链接，另外一种是动态链接。使用静态链接的好处是，依赖的动态链接库较少，对动态链接库的版本不会很敏感，具有较好的兼容性；缺点是生成的程序比较大。使用动态链接的好处是，生成的程序比较小，占用较少的内存。
gcc a.o -o a
程序运行：
./a
hello

1万 · 2016-12-3 21:42

处理器架构
GCC4.1支持下列处理器架构：
Alpha
ARM
Atmel AVR
Blackfin
H8/300
IA-32〈x86〉与x86-64
IA-64例如：Itanium
MorphoSys 家族
Motorola 68000
Motorola 88000
MIPS
PA-RISC
PDP-11
PowerPC
System/370，System/390
SuperH
HC12
SPARC
VAX
Renesas R8C/M16C/M32C家族
较不知名的处理器架构也在官方释出版本中支援：
A29K
ARC
C4x
CRIS
D30V
DSP16xx
FR-30
FR-V
Intel i960
IP2000
M32R
68HC11
MCORE
MMIX
MN10200
MN10300
NS32K
ROMP
Stormy16
V850
Xtensa
由FSF个别维护的GCC处理器架构：
D10V
MicroBlaze
PDP-10
MSP430
Z8000
当GCC需要移植到一个新平台上，通常使用此平台固有的语言来撰写其初始阶段。