嵌入式 Linux 入门（十、Linux 下的 C 编程）_linux c语言编程项目

嵌入式 Linux 入门第十课，聊聊 linux 下的 C 编程...... 矜辰所致
插一句，问题讨论群在文末的推广，以后大家提问可以在群中，即便我不在也能看到历史记录。
1
2

前言

在前面的 Linux 系列入门文章中，我们基本熟悉了 Linux 系统的基本操作、命令以及软件环境相关的知识。

而且我还花了一些时间讲了 嵌入式 Linux 从 0 到 1 的环境搭建，具体可查看专栏：嵌入式 Linux 环境篇 。

我们最终的目的是嵌入式开发，那么不管怎么学习 Linux 操作系统，怎么搭建环境，最终还是为最后的目的 编程 服务的。

相对于使用 Windows 开发的熟悉的 MDK 、IAR 集成开发环境而言，Linux 下的 C 编程是怎样的呢？

那么本文我们就来说明一下 Linux 下的 C 语言编程。

❤️ >嵌入式 Linux 入门系列博文：
嵌入式 Linux 入门（一、Linux 基本介绍及文件结构）
嵌入式 Linux 入门（二、Linux 文件系统、文件类型及权限管理）
嵌入式 Linux 入门（三、Linux Shell 及常用命令说明）
嵌入式 Linux 入门（四、Linux 下的编辑器 — 让人爱恨交加的 vi ）
嵌入式 Linux 入门（五、Shell 脚本编程上：认识 Shell 脚本）
嵌入式 Linux 入门（六、Shell 脚本编程下：Shell 脚本语法）
嵌入式 Linux 入门（七、Linux 下的环境变量）
嵌入式 Linux 入门（八、Linux 下的软件安装）
嵌入式 Linux 入门（九、Linux 下的磁盘管理）
.
我是矜辰所致，全网同名，尽量用心写好每一系列文章，不浮夸，不将就，认真对待学知识的我们，矜辰所致，金石为开！

一、C 语言编译过程

本小节主要是复习一下容易被遗忘的 C 语言编译过程。

C 语言的编译过程，在我们学习 C 语言的时候，应该都有学习过，但是正常的到了工作后，有一些朋友习惯了集成开发环境以后，基本上完全忘了这个过程了。

我们说简单直白一点，我们做一个简单的 C 程序至少需要 2 个步骤：

1、编辑代码（需要用到编辑器）；

2、编译代码（需要用到编译器）；

对于第一点编辑器，就是 写代码的工具，比如 VScode ，Sourceinsight ，Vim 等等，我们在 linux 下可以使用 Vscode ，Vim ，甚至我们可以在熟悉的 windows 环境下编辑好了代码，拷贝至 Linux
环境进行最后的编译。

集成开发环境，一般都集成了编辑器，编译器，而且在使用过程中，编译都是一键操作，以至于我们甚至都可以不用关心编译过程，也导致了我们有些朋友慢慢的忘了 C 语言的完整的编译过程。

C 语言的编译主要分为 4个阶段：

预处理 ——> 编译 ——> 汇编 ——> 链接

预编译（预处理器）

该阶段主要完成#符号后面的各项内容到源文件的替换，由预处理器完成，产生的是预处理文件（ .i ）。

• 处理所有的注释，以空格代替
• 将所有的 #define 删除，并且展开所有的宏定义
• 处理条件编译指令 #if, #ifdef, #elif, #else, #endif
• 处理 #include, 展开被包含的文件
• 保留编译期需要使用的 #pragma 指令

编译（编译器）

将 C 语言 编译 变成 汇编代码，由编译器完成，产生的是汇编文件（.s）。

对预处理文件进行词法分析，语法分析和语义分析

• 语法分析：分析关键字，标识符，立即数等是否合法
• 语法分析：分析表达式是否遵循语法规则
• 语义分析：在语法分析的基础上进一步分析表达式是否合法

分析结束后进行 代码优化 生成相应的 汇编代码文件

汇编

将汇编代码翻译成机器码指令，并将这些指令打包形成可重定位的目标文件，由汇编器完成，产生的是目标文件（.o）。

• 汇编器将汇编代码转变为机器的可执行指令
• 每条汇编语句几乎都对应一条机器指令

链接

该阶段完成文件中调用的各种函数、静态库和动态库的链接，将目标文件最终链接为可执行程序，由链接器完成，产生的是可执行文件。

• 静态链接：目标文件 直接连接进入可执行程序（小工程项目常用方式）
• 动态连接：在程序 启动后在动态加载目标文件（大型软件系统，方便更新局部功能，使用很多动态库，然后更新的时候，只需要更新相应的库文件，程序运行过程中加载的库文件）

链接（Link）其实就是一个“打包”的过程，它将所有二进制形式的目标文件和系统组件组合成一个可执行文件 。

C 语言编译的最终目的将开发者认识而CPU不认识的 C 语言代码转换成 CPU 能够识别的二进制指令。

二、Linux 下的 C 编译器

在前面的 Linux 学习文章中，我们提到过 在 Linux 下的 C 语言编译工具为 GCC 编译工具链。

而且在我以前的一些博文中，在 Windows 下就已经开始使用 GCC 编辑工具链了：

在window下使用 VScode 搭建 ARM 开发环境—— 详细版

对于使用集成开发环境来说我们使用的 Keil 中，使用的编译器为 ARMCC ， IAR也有自己单独的编译器：

说明：这里我们与 Keil 和 IAR 比较的是 GCC for ARM （针对 ARM 平台的编译器），属于 GCC 工具链的成员，这个我们下面会说明。

对于我们后面的 嵌入式 Linux 开发来说，我们的编译器 GCC 编译工具链。

2.1 GCC 简介

GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套件）是由GNU开发的编程语言编译器。

GCC 的基本概念我们这里就不过多介绍了，基本的概念性介绍网上搜一下就能够找到很多。

简单的记住几个点就行了：

1. 免费，你可以免费使用修改；
2. GCC 是一个可移植的编译器，可运行在很多平台上；
3. GCC 可以在一个平台上编译另外一个平台运行的软件；
4. GCC 支持多种语言
5. GCC 是模块化的，当出现新的语言，为新语言开发一个支持新语言的前端，GCC 即可支持该语言。

我们在前面的课程已经在虚拟机里安装好了 GCC ，包括下面要将的 GCC FOR ARM 交叉编译器。

嵌入式 Linux 入门 环境篇（四、必备开发工具安装）

本文的关键在于知道 GCC 是什么，了解 GCC 的基本使用。

2.2 GCC 的基本使用

首先我们写一个简单的 Hello world 程序 ：

int main(int argc，char* argv[ ]) 允许在执行时写参数，这种格式是固定写法。
1、C 语言规定 main 函数的参数只能有两个，还规定 argc 必须是整型变量，argv 必须是指向字符串的指针数组。
2、argc 是命令行总的参数个数。
3、char *argv[ ] 是指针数组，数组中的每个元素都是 char * 类型，即数组中每个元素都会指向一个字符串。

出错了，找不到 stdio.h 文件，如下图：

因为是新装的系统，我们需要安装一下基本的编译工具 build-essential ：

 sudo apt-get install build-essential
1

如下图：

安装完成以后我们再次编译，然后可以看到正常的编译，然后可以正常运行：

上面我们直接使用 gcc [目标文件] 方式运行，并没有加任何选项，这样子的默认编译产生的文件都会命名为a.out 。

那么如何制定生成我们所需要的名字的目标文件呢？ 使用指令：

gcc [目标文件] -o [想要生产的文件名字]
1

比如上面的 hello.c ，我们指定一下编译后的名字：

以上的例子我们完成了单个程序的编译和运行，很简单的程序编译和运行，看上去是不是甚至比在 windows 环境中使用某些 IDE 操作起来更加方便。

2.3 GCC 常用编译选项

在上面的示例中，我们使用了一个 -o 选项，在 GCC 编译过程中，我们可以加入不同的选项满足不同的编译需求。

下面列出对于初学者需要了解的选项：

2.4 GCC 的编译过程

我们前面说过，一个C 文件要经过预处理、编译、汇编 和 链接才能变成可执行文件 ：

在我们使用 GCC 编译的时候，可以通过 GCC 的选项控制编译的这些过程 。

我们先把上面的示例修改一下，简单的添加几个宏定义，和条件编译，如下图：

完成以后正常的编译结果：

上面的 gcc 编译是一部直接生成了可执行文件，我们可以加上一个选项-v 可以打印出互详细的编译过程：

我们这里把这个过程复制出来如下：

qzh@ubuntu:~/c_test$ gcc hello.c -o whatevername -v
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/lto-wrapper
OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none:amdgcn-amdhsa
OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-11/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++,m2 --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-11 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --enable-libphobos-checking=release --with-target-system-zlib=auto --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --enable-cet --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none=/build/gcc-11-gBFGDP/gcc-11-11.2.0/debian/tmp-nvptx/usr,amdgcn-amdhsa=/build/gcc-11-gBFGDP/gcc-11-11.2.0/debian/tmp-gcn/usr --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu --with-build-config=bootstrap-lto-lean --enable-link-serialization=2
Thread model: posix
Supported LTO compression algorithms: zlib zstd
gcc version 11.2.0 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) 
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'whatevername' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' '-dumpdir' 'whatevername-'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpdir whatevername- -dumpbase hello.c -dumpbase-ext .c -mtune=generic -march=x86-64 -version -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -fstack-clash-protection -fcf-protection -o /tmp/ccogl6jG.s
GNU C17 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) version 11.2.0 (x86_64-linux-gnu)
	compiled by GNU C version 11.2.0, GMP version 6.2.1, MPFR version 4.1.0, MPC version 1.2.1, isl version isl-0.24-GMP

GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include-fixed"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../x86_64-linux-gnu/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/include
 /usr/local/include
 /usr/include/x86_64-linux-gnu
 /usr/include
End of search list.
GNU C17 (Ubuntu 11.2.0-19ubuntu1) version 11.2.0 (x86_64-linux-gnu)
	compiled by GNU C version 11.2.0, GMP version 6.2.1, MPFR version 4.1.0, MPC version 1.2.1, isl version isl-0.24-GMP

GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: ead6677a8de2192bf1e5ee7b28d13856
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'whatevername' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' '-dumpdir' 'whatevername-'
 as -v --64 -o /tmp/cc9NFHia.o /tmp/ccogl6jG.s
GNU汇编版本 2.38 (x86_64-linux-gnu) 使用BFD版本 (GNU Binutils for Ubuntu) 2.38
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'whatevername' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' '-dumpdir' 'whatevername.'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccJfVQC0.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o whatevername /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../.. /tmp/cc9NFHia.o -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state -lc -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'whatevername' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64' '-dumpdir' 'whatevername.'

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41

当然，直接看上面会一头雾水，我们从里面截取几个重要的点进行说明，看注释：

使用cc1 把 hello.c  编译成临时目录下的 .s 文件（预处理编译）：
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu hello.c -quiet -dumpdir whatevername- -dumpbase hello.c -dumpbase-ext .c -mtune=generic -march=x86-64 -version -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -fstack-clash-protection -fcf-protection -o /tmp/ccogl6jG.s
 
上面关键地方可以缩写为
cc1 hello.c -o /tmp/ccogl6jG.s

用 as 命令把 .s 文件转化为 .o 文件 （汇编）：
 as -v --64 -o /tmp/cc9NFHia.o /tmp/ccogl6jG.s
 
因为程序中使用了 printf 函数，这个函数并不是我们自己实现的，所需需要用下面的语句去寻找库（这里省略了一些）：
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../..

最后就是这句，使用 collect2 链接：
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/liblto_plugin.so
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

即便上面我们对 GCC 编译的详细过程进行了分析，找出了重要的几个步骤说明，但是对于大部分人来说，上面的分析还是比较模糊的， 那么我们还可以通过 GCC 的编译选项来单独控制每一步。

2.4.1 预编译

gcc -E hello.c -o hello.i
或者
gcc -E -o hello.i hello.c 
1
2
3

如下图：

我们先执行预编译指令，然后打开生成的 hello.i 查看：

那这里我们可以再测试一下，我们把代码重新修改，条件编译的条件打开：

然后再次gcc -E hello.c -o hello.i预编译，看一看效果：

进过这个测试，我们可以更加的认识到 预处理所做得事情 ：
处理所有的注释，将所有的 #define 删除，展开所有的宏定义，处理条件编译指令 ，处理 #include，展开被包含的文件。

2.4.2 编译

gcc -S hello.i -o hello.s
或者
gcc -S -o hello.s hello.i
1
2
3

如下图：

我们先执行编译指令，然后打开生成的 hello.s 查看：

hello.s 文件打开可以看到各种汇编语言：

2.4.3 汇编

gcc -c hello.s -o hello.o
或者
gcc -c -o hello.o hello.s
1
2
3

如下图：

我们先执行编译指令，然后打开生成的 hello.o 查看，肯定是乱码，因为汇编后的 .o 文件是机器码，不是我们能看懂的：

hello.o 都是机器码：

2.4.4 链接

gcc hello.o -o hello
或者
gcc -o hello hello.o
1
2
3

最终我们使用 gcc 不用加任何参数，就可以将上面的 hello.o 文件链接成最终的可执行文件：

通过上面的 GCC 的但不编译说明，我们再次加深了 C 语言的编译过程，也学习了 GCC 编译器的基本使用方法。

提一下，GCC 编译预处理是不会发现语法错误的！需要在第二部编译的过程中才会发现语法错误！

三、 交叉编译器

那我们知道了在 Linux 下的 C 语言编译器是 GCC ，那么是否我们后期嵌入式开发使用的编译器就是 GCC 呢 ?

不，因为我们做嵌入式开发，用的硬件平台是 ARM，而我们开发使用的主机 PC 架构为 X86 架构的，GCC 工具链编译出来的程序是在 X86 架构上运行的，我们需要使用交叉编译器！

3.1 什么是交叉编译器？ 为什么要用交叉编译器？

何为交叉编译器，说直白点，就是 在本机平台上编译 不是本机平台运行的程序的编译器，而是编译给其他硬件结构的设备使用程序 的编译器。

比如上面我们分析的是 GCC ，我们直接在 Ubuntu 中写得 hello.c 程序编译后的可执行文件可以直接运行，但是我们放到 开发板上会怎么样呢？ 我们可以测试一下：

上面的 NFS 共享文件夹环境搭建可以参考博文：嵌入式 Linux 入门 环境篇（五、NFS 文件共享）

我们在开发板上尝试运行，NFS 的共享文件夹环境搭建参考上面文章：

运行失败，当然，因为在 Ubuntu 上使用 GCC 编译的最终可执行文件是针对 PC 平台（X86）架构的硬件的，这个我们可以直接在 Ubuntu 中查看可执行文件 hello：

X86 架构的 GCC 编译出的可执行文件只能在 X86 架构使用，开发板使用的是 arm 架构所以不能使用X86 的需要 arm 架构的可执行文件，所以我们需要交叉编译器。

那么 Ubuntu 下的交叉编译器是怎样的呢？ 在我们环境篇的文章：嵌入式 Linux 入门 环境篇（四、必备开发工具安装）

我们已经安装过的 arm-linux-gnueabihf-gcc 就是我们 Linux 下的交叉编译器。

arm-linux-gnueabihf-gcc 其实和 gcc 是一样的，所有的操作选项一致，只是最后的可执行文件针对的不通平台，所以我们无需再次说明 arm-linux-gnueabihf-gcc 的基本操作和使用，我们只需要把我们上面的 hello.c 文件使用交叉编译器 arm-linux-gnueabihf-gcc 编译成可执行文件即可，如下图操作：

这时候，我们再次在开发板上尝试运行 armhello 这个文件：

到这里，我们应该也能明白，什么是交叉编译器，为什么我们后面的嵌入式 Linux 开发要使用交叉编译器了。

3.2 能否直接在 ARM 平台上编译本平台的程序？

这里我们再插一个问题，因为我们是在 Ubuntu 上面写得 Hello.c 程序，我们可不可以直接在开发板上写这个 hello.c 程序然后直接在本平台编译呢？

这个当然是可以的，但是这里需要说明几点问题：

1、首先，我使用的正点原子的开发板上是没有 gcc 工具链的，尝试了一下也无法下载，当然这是与正点原子自己做的内核有关系。

2、在野火的 Linux 教学视频中，在他们的开发板上是可以下载程序的，然后如果使用sudo apt-get install gcc 下载的 gcc 版本，其实就是 arm gcc，如下图：

3、如果可以在开发板上安装 gcc 工具链，那么当然可以在本平台编译自己所需要的程序。

但是注意！！！我们在编译大工程的时候，比如 Linux 内核的时候，对性能和内存各方面都有要求，一般来说， ARM 的性能可比 PC 的性能差远了，他自己本身并不能满足很多场合下的工程编译，因为性能太差了，所以肯定需要在性能强悍的 PC 上编译，这也是为什么会有交叉编译器。

在我们的后面对于我们的开发板程序的编译，都是使用交叉编译器 arm-linux-gnueabihf-gcc。

结语

本文们通过复习 C 语言的编译过程，说明了 Linux 下的 GCC 编译器，然后通过学习基本的 GCC 的操作使用，又加深了对 C 语言编译过程的理解。

最后引出了 交叉编译器的概念，让大家认识到了我们后期开发板程序的开发使用的编译器。

在文中我们对 GCC 的使用说明只是针对单个的文件，那么多个文件，是如何进行编译的呢？我们将在下面的一篇文章来解决这个问题。

好了，本文就到这里，谢谢大家！

这里插一句， 文章最下面的推广链接我换成了企鹅群，因为我发现很多问我问题的兄弟沟通起来没一个群不方便，大家以后在群里可以随时提问，也不怕我不在忘了回答了。