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嵌入式Linux之C语言开发基础

news 来源：原创 2025/6/19 3:24:35

一、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，示例：

1.mkdir helloworld
2.cd helloworld

// 1.main.c
#include "hello.h"
int main()
{say_hello();return 0;
} // 2.hello.h
#ifndef __HELLO_H__
#define __HELLO_H__void say_hello();#endif// 3.hello.c
#include "hello.h"
#include <stdio.h>
void say_hello()
{printf("Hello world!\n");
}

采用如下命令编译可执行文件并执行：

命令行：
gcc main.c hello.c -o main
./main输出：helloworld!-o： output 的缩写，表示输出，用于指定输出文件名。

1.1 预处理命令

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。

gcc -E hello.c -o hello.i

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。

main.i 解读：

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

预处理后的.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。行控制：

# 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：➢ 1: 表示接下来的内容开始于一个新的文件。➢ 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。➢ 3: 指示接下来的内容来自系统头文件。➢ 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。

1.2 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。

gcc -S main.i -o main.s

gcc -S hello.i -o hello.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。

1.3 汇编

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。

gcc -c main.s -o main.o

gcc -c hello.s -o hello.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。

反汇编：

objdump -d main.o

1.4 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。

1.4.1 链接方式

我们在 say_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。

gcc -static main.o hello.o -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：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。

gcc main.o hello.o -o main

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。

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。

编译完成后查看刚刚编译的动态链接库（命令行输入）：

ll

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。

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。

1.4.2 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。

二、Makefile 基础

Makefile 是一种用于管理和自动化软件编译过程的文本文件。它通常包含了一系列规则，这些规则描述了如何根据源代码文件生成可执行文件或者其他目标文件。 Makefile的核心概念是规则和依赖关系，规则定义了如何生成一个或多个目标文件，而依赖关系则指定了生成目标文件所需要的源文件或其他依赖文件。下面我们通过一步一步编写Makefile 来学习 Makefile 规则。

2.1 安装 build-essential 工具包

sudo apt install -y build-essential

2.1 编写 Makefile

vim Makefile

# Makefile 内容通常由以下部分组成
# <目标>: <前置依赖>
# <需要执行的命令>
# 放在第一个的是默认目标
# 目标为编译出 main 文件，依赖 main.o 和 hello.o 文件
# 编译的命令为 gcc -o main hello.o main.omain: hello.o main.ogcc -o main hello.o main.o# main.o 目标依赖 main.c hello.h
# 编译命令为 gcc -c main.c
main.o: main.c hello.hgcc -c main.c# hello.hello.c hello.h
# 编译命令为 gcc -c hello.c
hello.o: hello.c hello.hgcc -c hello.c# clean 目标可以清理编译的临时文件
clean:rm main main.o hello.

2.3 文件内容解读

规则是 Makefile 的构建单元， Make 工具通过解析这些规则来执行构建过程。

① 规则的基本结构：我们用空行将 Makefile 的不同规则划分开来。规则有两行构成，第一行为目标和前置依赖，二者通过冒号区分开来，目标在前，前置依赖在后。

# <目标>: <前置依赖> # <需要执行的命令>

② 目标：本条规则需要生成的目标文件名。

③ 前置依赖：生成目标文件需要的依赖文件列表。

④ 命令：一系列将被 Shell 执行的命令，用于从前置依赖构建目标。

需要注意的是， Makefile 中每个规则的命令必须以一个制表符（tab）开始，而不能是空格。否则会提示“缺失分隔符”。

⑤ 上文提到， gcc 的-c 参数不仅可以将汇编代码转换为机器码，还可以直接将 C 语言源文件转换为机器码， gcc -c main.c 就是第二种用法，这里省略了-o main.o。默认情况下，在指定-c 参数时， gcc 会将与源文件名去掉扩展名再加上后缀.o 作为目标文件的名称。

2.4 测试

① 执行 make 命令：

make

出现提示：make: "main"已是最新。提示我们“main”已是最新，这是因为上面的操作已经生成了最终的可执行文件“main”，要看到 make 的作用，需要先将之前编译好的文件删除

rm main.o hello.o main

② 重新执行 make

③ 同理，执行 make clean 可以执行 clean 目标：

make clean

这个目标我们定义了如何清理编译的残留文件和结果。执行这个目标后，我们的编译结果和临时文件就都被清理了。

这就是 Makefile，可以批处理进行一键编译，大大提高了编译效率。

2.5 引入变量

# 定义变量 objects
objects := hello.o\main.o# 在目标中引入变量
main: $(objects)gcc -o main $(objects)main.o: main.c hello.hgcc -c main.chello.o: hello.c hello.hgcc -c hello.c# clean 目标中也可以引入变量
clean:rm main $(objects)

➢ objects 为变量名

➢ :=的组合相当于 C 语言中的=，表示赋值

➢ :=后面为变量的值

➢ \为续行符，表示命令或定义延续到下一行。此处的作用是将 hello.o 和 main.o 合并为一行，此处的定义等价于 objects := hello.o main.o。

➢ $(变量名)表示获取变量的值

2.6 引入 make 自动推导

make 可以根据目标自动加入所需的依赖文件和命令。例如 main.o 目标，会默认将main.c 作为依赖加入，同时也可以自动推导出编译 main.o 的命令，于是我们的Makefile 就可以改成以下内容：

objects := hello.o\main.omain: $(objects)gcc -o main $(objects)# 利用 make 的自动推导
clean:rm main $(objects)

要注意的是，虽然这种方式精简 Makefile 的内容，但是当没有显式声明的依赖文件发生更改时 Make 无法追踪。

# Makefile 内容通常由以下 3 部分组成
# <目标名称>:<前置依赖>
# \t<需要执行的命令>
# 定义变量 objects
objects := hello.o \main.o
# 放在第一个的是默认目标
# 目标是编译出 main 文件 依赖 hello.o 和 main.o 文件
# 编译的命令是 gcc hello.o main.o -o main
main: $(objects)gcc $(objects) -o main#目标是 main.o 依赖 main.c 和 hello.h
#编译的命令是 gcc -c main.c
# main.o: main.c hello.h
# gcc -c main.c
main.o: hello.h
#目标是 hello.o 依赖 hello.c 和 hello.h
#编译的命令是 gcc -c hello.c
# hello.o: hello.c hello.h
# gcc -c hello.c
hello.o: hello.h
clean:rm main $(objects)

总结：只有在 Makefile 中显式声明依赖的头文件才会被追踪，当它们发生更改时，重新执行 make 命令，会再次执行相应规则的命令。

2.7 引入伪目标

伪目标并不代表实际的文件名，它们更多的是行为或动作的标识符。伪目标并不生成具体文件。

① .PHONY 是 Makefile 中一个特殊的目标，用于声明其它目标是伪目标。

② 语法： .PHONY:<伪目标名称>

③ 注意到，目标为 clean 的规则没有前置依赖，这是因为它是用来执行清理操作的，并不是要生成名为 clean 的文件，因此不需要前置依赖。我们可以将clean 声明为伪目标。

# 声明伪目标
.PHONY: clean# clean 目标中也可以引入变量
clean:rm main $(objects)

为什么需要声明伪目标？KEY：将某些不生成目标文件的行为或动作（如清理、安装）声明为伪目标可以确保无条件执行规则下的命令。即便执行 make 命令时当前目录下存在与目标同名的文件，依然可以得到我们期望的效果。

2.8 忽略错误

# 声明伪目标
.PHONY: clean# clean 目标中也可以引入变量
clean:-rm main $(objects)

rm 前面的-告诉 make，如果该命令执行失败，不要停止执行剩余的过程，即忽略错误。效果如下：

2.9 目标名和命令中输出文件名的关系

make 输出的文件名取决于规则下的命令，而目标名称决定 make 追踪的目标文件名。如果二者不一致， make 就会认为目标文件不存在而不断执行命令。我们应确保命令生成的目标文件名和目标名一致。

三、安装 vscode-makefile-term 插件

在插件市场搜索并安装 vscode-makefile-term 插件，完成后，在 VScode 中打开Makefile 文件，可以看到每个 target 上方都出现了执行按钮。

点击这些按钮 vscode-makefile-term 插件就会帮助我们执行相应的 target。

就不用老是在命令行窗口输指令啦！

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