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【Linux我做主】探秘gcc/g++和动静态库

news 来源：原创 2025/8/17 18:17:24

@TOC

Linux编译器gcc/g++的使用

github地址

有梦想的电信狗

前言

在软件开发的世界中，编译器如同匠人的工具，将人类可读的代码转化为机器执行的指令。

对于Linux开发者而言，gcc和g++是构建C/C++程序的核心工具链，掌握它们的原理和使用技巧是每一位开发者成长的必经之路。

本文将深入剖析从源代码到可执行程序的完整生命周期，揭示预处理、编译、汇编、链接四大阶段的神秘面纱，探讨动静态库的本质差异，解密Debug与Release版本背后的工程权衡。

无论您是初探Linux开发的爱好者，还是希望夯实编译原理的进阶者，本文都将为您呈现一场理论与实践并重的技术之旅。

C/C++可执行程序的形成过程

从C/C++源文件.c或.cpp源文件形成可执行程序需要经历预处理、编译、汇编、链接四个过程，接下来依次介绍各个时期的特点以及Linux下的编译器gcc/g++是如何实现这些过程的。

预处理 (Preprocessing)

输入文件: .c/.cpp 源文件
输出文件: .i 文件（预处理后的文本文件，预处理后依然是.c/.cpp 文件）
工具: 预处理器

核心过程：

展开所有 #include 指令，递归插入头文件内容
处理 #define 宏定义，执行文本替换。
条件编译处理（#ifdef, #ifndef, #endif 等）
删除所有注释（// 和 /* */），删除所有空行和空白。
添加行标记（#line 指令）供调试使用
处理 #pragma 编译器指令

使用gcc编译器仅完成预处理步骤
示例：gcc -E main.c -o main.i

编译 (Compilation)

输入文件: .i 文件
输出文件: .s 文件（汇编代码文件）
工具: 编译器（如 gcc, clang）

编译是消耗时间和资源最多的步骤。

核心过程：

词法分析：将源代码分解为 Token 流，检查语法
语法分析：构建抽象语法树（AST）
语义分析：类型检查、作用域验证等
中间代码生成：生成平台无关的中间表示（如 LLVM IR）
代码优化：进行死代码消除、循环优化等
目标代码生成：生成特定 CPU 架构的汇编代码

了解了以上过程，我们认识到，**宏不会进行类型检查和语法分析**的原因是：

宏进行的是文本替换，在预处理阶段进行。
语法检查是在编译阶段进行的。

因此常说宏是类型不安全的

将预处理后的文件翻译成汇编语言指令：

示例：gcc -S main.i -o main.s

汇编 (Assembly)

将汇编指令翻译成机器指令的过程。

输入文件: .s 文件
输出文件: .o/.obj 文件（二进制目标文件）
工具: 汇编器

核心过程：

将助记符形式的汇编代码转换为机器指令（二进制操作码）
生成符号表（记录函数/变量地址信息）
生成重定位表（标记需要链接时修正的地址）
生成节区信息（text/data/bss 等段）

可执行文件的格式：

Linux: ELF 格式（Executable and Linkable Format）
Windows: COFF 格式（Common Object File Format）

示例：gcc -c main.s -o main.o

链接 (Linking)

输入文件: .o 文件 + 静态库或动态库（.a/.lib）
输出文件: 可执行文件（.exe(windows下) 或有执行权限的文件(Linux下)）
工具: 链接器

核心过程：

符号解析：匹配所有未定义符号与其定义
地址分配：
- 地址回填：给每个目标文件分配运行时内存地址
- 数据段合并：合并相同类型的节区（如多个.text段合并）
重定位修正：根据实际地址修改代码中的引用
解析库依赖：
- 静态链接：直接将库代码复制到可执行文件中
- 动态链接：生成导入表记录共享库信息

链接类型：

类型	特点	文件扩展名
静态链接	代码体积大，无运行时依赖	`.a` (Linux) `.lib` (Windows)
动态链接	代码体积小，需要运行时环境支持	`.so` (Linux) `.dll` (Windows)

示例：gcc main.o -o main

在进行多文件编译时，对每个文件进行单独编译，最终一起链接。

完整流程示例

# 完整编译流程（隐含执行所有阶段）
gcc main.c -o main# 分步执行（显式控制每个阶段）
gcc -E main.c -o main.i    # 预处理
gcc -S main.i -o main.s    # 编译
gcc -c main.s -o main.o    # 汇编
gcc main.o -o main         # 链接

gcc/g++如何完成可执行程序的形成过程

形成过程

例如有源文件main.c，现要分步骤对其进行编译形成可执行文件。

预处理
- gcc -E main.c -o main.i该指令告诉gcc，现在开始进行程序的翻译，预处理结束后停止。
编译
- gcc -S main.i -o main.s该指令告诉gcc，对预处理过后的.i文件进行处理，编译结束后停止。
汇编
- gcc -c main.s -o main.o该指令告诉gcc，汇编结束后停止。
- 形成的.o文件是可重定位目标二进制文件，简称目标文件。windows下是.obj文件，不可以独立执行，虽然已经是二进制格式了，但需要链接后才可以执行。
链接
- gcc main.o -o main 将可重定位目标二进制文件，和库链接形成可执行程序。

最常用的命令行编译指令

我们在进行单个源文件的编译时，如果没有查看中间文件的需求，则直接使用gcc一步完成编译

gcc test.c  #默认生成的程序名为a.out
gcc test.c -o test   # 指定可执行程序的名字为 test

在这里插入图片描述

选项记忆小妙招

预处理、编译、汇编三个过程的选项分别是-E -S -c

刚好组成ESc键

预处理、编译、汇编三个过程形成的文件的后缀依次是.i .s .o

三个字母组成iso，恰好是操作系统的镜像文件的后缀名。

gcc编译的其他常用选项

-E：只激活预处理,这个不生成文件,你需要把它重定向到一个输出文件里面。
-S：编译到汇编语言，不进行汇编和链接
-c 编译到目标代码
-o 文件输出到文件
-static 此选项对生成的文件采用静态链接。gcc编译在链接库时默认采用动态链接。
-g 生成调试信息。GNU 调试器可利用该信息。
-shared 此选项将尽量使用动态库，所以生成文件比较小，但是需要系统有动态库.
-O0、-O1、-O2、-O3 编译器的优化选项的4个级别，-O0表示没有优化,-O1为缺省值，-O3优化级别最高
-w 不生成任何警告信息。
-Wall 生成所有警告信息。

g++相关

对于以上操作和选项，gcc所有的编译操作和命令选项同样适用于g++，只不过编译的源程序变成了.cpp文件。

g++和gcc的区别

编译器	主要语言支持	次要语言支持
gcc	C语言	C++（需显式指定）
g++	C++（ISO标准）	C（不推荐）

关键区别：

gcc默认作为C语言编译器
g++默认作为C++编译器，g++既可编译C语言，也可以编译C++

预定义宏差异

编译器	默认宏
gcc	`__STDC__`
g++	`__cplusplus`

示例检测：

#ifdef __cpluspluscout << "C++环境";  // g++会执行
#elseprintf("C环境");    // gcc可能执行
#endif

使用场景指南

✅ 推荐使用g++的情况：

纯C++项目开发
使用STL/模板等C++特性
需要异常处理/RTTI特性
混合C/C++代码（作为主要编译器）

✅ 推荐使用gcc的情况：

纯C语言项目开发
需要严格C标准兼容
嵌入式开发（配合-ffreestanding）
内核开发等底层编程

对比总结表

特性	gcc	g++
默认标准	C17	C++17
标准库链接	需手动-lstdc++	自动链接
文件后缀处理	根据后缀判断	强制C++模式
函数重载	不支持	支持
异常处理	默认禁用	默认启用
RTTI	需手动开启	默认启用
启动代码	C启动程序	C++启动程序
预定义宏	STDC	__cplusplus

链接与库：初始动静态库

上文在介绍链接过程时，提到了输入文件.o 与静态库或动态库(.a/.lib)的链接共同形成可执行文件，那么什么是库呢？

同时思考

我们的C程序中，并没有定义printf的函数实现,且在预编译中包含的头文件<stdio.h>中也只有该函数的声明,而没有定义函数的实现,那么,是在哪里实现printf函数的呢?

最后的答案是:系统把这些函数实现都被做到名为 libc.so.6 的库文件中去了，在没有特别指定时，gcc会到系统默认的搜索路径/usr/include下进行查找，也就是链接到 libc.so.6 库函数中去,这样就能实现函数printf了,而这也就是链接的作用

什么是库？

库（Library）是预编译的二进制代码集合，包含可重用的函数/类/资源。在链接过程中，编译器会将.o目标文件与静态库（.a/.lib）或动态库（.so/.dll）链接，最终生成可执行文件。

库分为动态库和静态库。

Linux下的头文件和库默认搜索路径在/usr/include目录下

动态库

概念
动态库（Dynamic Library）是一种在程序运行时被动态加载到内存的二进制代码库，其核心设计目标是实现代码的共享复用和资源优化。

动态库的代码不会在编译时直接嵌入可执行文件，而是由操作系统的动态链接器（如ld-linux.so）在程序启动时或运行期间（通过dlopen()）按需加载到内存。

特点
- 文件扩展名：Linux下为.so（Shared Object），Windows为.dll
- 运行时加载：程序运行时由动态链接器加载到内存
- 共享性：多个程序可共享同一份动态库实例
- 版本控制：通过符号版本机制支持ABI兼容更新

静态库

概念
静态库是指编译链接时,把库文件的代码全部加入到可执行文件中,因此生成的文件比较大,但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为.a
特点
- 文件扩展名：Linux下为.a（Archive），Windows为.lib
- 编译时链接：库代码直接嵌入到最终可执行文件中
- 独立性：不依赖外部库文件即可运行
- 体积代价：导致可执行文件体积显著增大

库存在的意义

代码复用：避免重复造轮子
模块化开发：解耦复杂系统
知识产权保护：分发二进制而非源码
降低维护成本：更新库文件无需重新编译主程序
节省存储空间：动态库可被多个进程共享
**关于学习和工作：**在学习阶段，我们是适度的造轮子；而在工作阶段，我们最好找已有的解决方案。

gcc的默认链接方式及file和ldd命令

在Linux中，gcc编译形成可执行程序，默认采用的是动态链接，需要系统提供动态库。
在Linux中，如果想以静态链接的方式形成可执行程序，需要在编译时添加-static选项，并且系统需要提供静态库。

在这里插入图片描述

test_dy是gcc默认的编译程序，默认采用动态链接。
test_static是gcc指定静态链接时的编译程序，可以明显的看到程序的体积大了很多。
我们可以通过file命令来查看可执行程序的链接方式。
可以使用ldd命令查看可执行程序已链接的动态库

可以看到:
动态链接形成的test_dy链接了一些动态库
静态链接形成的test_static没有已链接的动态库

动静态库优缺点对比

特性	静态库	动态库
文件体积	显著增大	较小
内存占用	独立占用	共享内存
部署复杂度	简单（单文件）	需确保库文件存在
更新维护	需重新编译	替换库文件即可
启动速度	较快（无加载开销）	略慢（需要加载）
适用场景	嵌入式、独立工具	大型应用、系统级服务

动态库因为是共享库，可以有效的节省资源，包括(磁盘空间、内存空间、网络空间等)。动态库一旦缺失，会导致各个程序都无法运行。
静态库，不依赖库，程序可以独立运行。但体积大，消耗资源。

总结

动态链接的库，就叫动态库，静态链接的库，就叫静态库。

如果我们没有静态库，但要在编译时使用-static选项，这是不可行的。
如果我们没有动态库，只有静态库，且能静态库被编译器找到，则可以正常链接。
-static选项的本质是改变编译器链接模式的优先级。-static只适配一次，会将所有的链接要求全部变成静态链接。
在一个程序中，既会有动态库，也会有静态库，一般都是动静态库混合使用的。

CentOS下安装静态库

一般的Linux系统，默认只提供了动态库，静态库库需要我们自行进行安装。

C语言静态库

sudo yum install glibc-static

C++静态库

sudo yum install libstdc++-static

验证安装

# 查找静态库路径
sudo find /usr/ -name "libc.a"
sudo find /usr/ -name "libstdc++.a"

查找结果如下

开发建议

优先使用动态库：适用于大多数桌面/服务器应用
谨慎选择静态库：考虑磁盘空间和内存限制
混合使用策略：关键模块静态链接，通用功能动态链接
ABI兼容性：动态库更新时保持向后兼容

Debug与Release软件简介

gcc编译器在不增加特殊选项时，默认采用release版本编译形成可执行程序

核心概念

Debug版本

编译特性：包含调试符号（-g）可以被追踪调试、禁用优化（-O0）
文件体积：可执行文件略大（形成可执行文件时，添加了调试信息）
典型用途：
- 开发阶段调试
- 崩溃问题分析
- 性能问题定位

Release版本

编译特性：启用优化（-O2/-O3）、去除调试符号
文件体积：可执行文件较小
典型用途：
- 生产环境部署
- 性能敏感场景
- 正式版本发布

debug版本软件包含了调试信息，因此软件的体积更大一些
gcc编译器在不增加特殊选项时，默认采用release版本编译形成可执行程序
我们在编译时添加-g选项，可形成包含调试信息的可执行程序
那么选项-DDEBUG又有什么含义呢？

场景引入：

在这里插入图片描述

两个命令-g和-DDEBUG两个选项生成的程序虽然都用于调试，但包含的信息不同，具体区别如下：

gcc test.c -o test_Debug -DDEBUG：
• -DDEBUG：定义预处理宏DEBUG，用于在编译时启用代码中#ifdef DEBUG控制的调试逻辑（如打印日志、额外检查等）。
• 不包含调试符号：生成的程序没有嵌入调试信息（如变量名、行号），无法直接通过调试器（如GDB）进行源码级调试。
• 程序行为可能不同：如果代码依赖DEBUG宏控制逻辑，test_DEBUG会执行这些调试相关的代码。
- -DDEBUG选项的本质是在源程序文件中添加了DEBUG宏，用于在编译时启用代码中#ifdef DEBUG控制的调试逻辑。
gcc test.c -o test_debug -g：
• -g：嵌入调试符号，允许使用调试器跟踪变量、设置断点等。
• 不启用DEBUG宏：除非代码中已定义或通过其他方式启用，否则#ifdef DEBUG的代码不会编译到程序中。
• 程序行为与未启用DEBUG宏的版本一致（假设代码逻辑依赖该宏）。

关键区别：

选项	调试符号（`-g`）	启用`DEBUG`宏（`-DDEBUG`）
test_Debug	❌ 无	✔️ 启用
test_debug	✔️ 有	❌ 未启用（除非代码已定义）

结论：

• 是否属于“Debug模式”：取决于定义。若认为需同时包含调试符号和调试代码，则两者均不完全；若接受部分特性，则分别属于不同维度的调试版本。
• 信息差异：两者包含的信息不同。test_Debug可能包含更多调试输出但难以用调试器分析；test_debug便于调试但可能缺少DEBUG宏控制的代码。

Debug和Release核心差异对比

特性	Debug版本	Release版本
编译选项	`-g -O0`	`-O2/-O3`
符号表	包含完整调试信息	通常去除
代码优化	无优化（保留原始逻辑）	高度优化（可能改变执行流）
执行速度	较慢	快（提升20%-300%）
内存占用	较高	较低
逆向难度	容易（保留符号）	困难

readelf命令查看调试信息

在这里插入图片描述

高级控制技巧

条件编译宏：

#ifdef NDEBUG
// Release模式专用代码
#else
// Debug模式专用代码
#endif

总结

通过本文的探索，我们揭开了gcc/g++编译器从源代码到二进制程序的全流程面纱。从预处理阶段的宏展开到编译阶段的语法树构建，从汇编指令的生成到链接时的符号解析，每一个环节都彰显着计算机科学的精妙设计。

理解动静态库的取舍之道，掌握Debug版本的调试信息嵌入，这些知识不仅让我们在日常开发中游刃有余，更赋予了我们优化程序性能、诊断疑难问题的关键能力。

以上就是本文的所有内容了，如果觉得文章写的不错，还请留下免费的赞和收藏，也欢迎各位大佬在评论区交流

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一键三连，好运连连！

【Linux我做主】探秘gcc/g++和动静态库

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预处理 (Preprocessing)

编译 (Compilation)

汇编 (Assembly)

链接 (Linking)

完整流程示例

gcc/g++如何完成可执行程序的形成过程

形成过程

最常用的命令行编译指令

选项记忆小妙招

gcc编译的其他常用选项

g++相关

g++和gcc的区别

预定义宏差异

使用场景指南

对比总结表

链接与库：初始动静态库

什么是库？

动态库

静态库

gcc的默认链接方式及file和ldd命令

动静态库优缺点对比

总结

CentOS下安装静态库

C语言静态库

C++静态库

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Release版本

场景引入：

关键区别：

结论：

Debug和Release核心差异对比

readelf命令查看调试信息

高级控制技巧

总结

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