GCC 編譯器基本使用教學與範例

本篇介紹如何在 Linux 系統上使用 GCC 編譯器，將寫好的 C 與 C++ 程式碼編譯成執行檔。

Linux 系統上最常見的 C/C++ 編譯器就是 GCC，它是一個開放原始碼的免費編譯器，幾乎任何的 Linux 系統上都有這個編譯器可用，以下介紹 GCC 的基本用法以及範例。

編譯與連結 C 程式

假設我們寫好一個 C 程式，常程式碼儲存在 hello.c 這個檔案中，而其內容如下：

// hello.c
#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, world!\n");
  return 0;
}

若要將 C 的原始碼編譯成執行檔，可以執行 gcc 並指定 C 語言的原始碼檔案：

# 編譯 C 程式
gcc hello.c

GCC 預設會執行編譯與連結，直接產生一個可以執行的程式，輸出至 a.out 這個檔案，完成編譯之後，即可執行這個程式：

# 執行編譯好的程式
./a.out

Hello, world!

若要指定輸出的執行檔名稱，可以加上 -o 參數，並指定輸出的檔案名稱：

# 編譯 C 程式，指定輸出檔名
gcc -o hello hello.c

# 執行編譯好的程式
./hello

編譯與連結 C++ 程式

假設我們寫好一個 C++ 的程式儲存在 hello.cpp，內容如下：

// hello.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
 cout << "Hello, world!" << endl;
 return 0;
}

若要編譯 C++ 的程式，可以使用 g++ 這個編譯程式，並指定 C++ 的原始碼檔案：

# 編譯 C++ 程式
g++ hello.cpp

g++ 跟 gcc 非常類似，預設的輸出也是 a.out 這個檔案：

# 執行編譯好的程式
./a.out

Hello, world!

若要指定輸出的執行檔名稱，可以加上 -o 參數，並指定輸出的檔案名稱：

# 編譯 C++ 程式，指定輸出檔名
g++ -o hello hello.cpp

# 執行編譯好的程式
./hello

GCC 常用參數

GCC 可用的參數不勝枚舉，這裡我們僅介紹一些初學者常用的參數用法，以及實際的應用範例。

除錯用參數

假設我們寫了一個 C 語言的程式如下：

// bug.c
#include <stdio.h>
int main() {
  int v;  // 未初始化
  printf("v = %d\n", v);
  return 0;
}

其中我們宣告了一個變數 v，但是卻在沒有定義的狀況下直接使用它，向這樣的程式通常都是有問題的，但是按照一般的編譯方式來說，編譯器並不會顯示錯誤，如果在開發過程想要讓編譯器協助偵測這類的問題，可以加上 -Wall 參數，讓編譯器顯示所有的警告訊息。

而通常在開發與除錯的階段，都會使用 gdb 來除錯，所以也會加上 -g 參數（如果沒加的話，就無法用 gdb 除錯）。

所以在開發階段，會很常用到像這樣的指令來編譯程式：

# 顯示警告訊息、加入除錯資訊
g++ -Wall -g -o hello hello.cpp

定義巨集（Macro）

在開發中大型的程式時，開發者通常會使用一些巨集來處理各種的問題，例如除錯時會需要輸出詳細的訊息，但正式版的程式又不需要，這時候就可以這樣寫：

// macro.c
#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello, world!\n");

#ifdef DEBUG
  printf("DEBUG is defined.\n");
#endif

  return 0;
}

這段程式中，我們用 #ifdef 判斷 DEBUG 這個變數是否有被定義，若有被定義的話，就加入輸出除錯的程式碼，這樣一來我們就可以透過 DEBUG 的定義，來決定是否要產生有除錯訊息的執行檔。

若要定義 DEBUG 這個變數，可將定義直接加在程式碼中：

// 定義 DEBUG
#define DEBUG

也可以直接透過 GCC 的 -D 參數來定義：

# 定義 DEBUG
gcc -DDEBUG macro.c

兩種方式的效果相同，不過使用 GCC 的參數來定義這種時常需要調整的變數，通常會方便很多。

只編譯不連結

GCC 預設會將 C 的原始碼編譯並連結，產生執行檔，若想讓編譯器只進行編譯、不要連結，可加上 -c 參數，這樣就會建立一個 object 檔：

# 僅編譯、不連結，建立 obj 檔案
gcc -c hello.c

執行這行之後，就會產生一個 hello.o 檔案，後續若要進行連結，就可以使用這個 object 檔：

# 連結產生執行檔
gcc -o hello hello.o

通常在大型的專案中，都會將編譯與連結兩個動作拆開，以下是一個典型的例子：

# 編譯個別 C 檔案
gcc -c a.c
gcc -c b.c
gcc -c c.c

# 連結
gcc -o myapp a.o b.o c.o

這樣作除了可讓程式碼方便管理之外，也可以加快編譯的速度，假設我們在開發過程中，更改了 b.c 的內容，在重新編譯時就只要編譯 b.c，然後即可進連結，省去重新編譯 a.c 與 c.c 的時間。

最佳化

GCC 可以根據 CPU 的架構，進行最佳化處理，編譯出效能更好的執行檔，可用的選項有 -O（跟 -O1 相同）、-O2 與 -O3，數字越高代表最佳化的程度越高，許多專案在編譯正式版的時候，都會使用 -O2 進行最佳化。

# 進行最佳化
gcc -O2 -o hello hello.c

標頭檔與函式庫路徑

在編譯程式時，編譯器需要許多標頭檔（*.h 檔案）來編譯原始碼，而連結的時候則會需要一些函式庫（*.a、*.so 等）才能進行連結，但是編譯器只會自動引入一些系統預設的檔案，在大型專案中開發者會需要指定許多額外的標頭檔與函式庫位置，這樣才能讓編譯器順利編譯與連結。

編譯器會在 include 路徑中，搜尋 C 程式碼中以 #include 所引入的標頭檔，如果需要指定額外的搜尋路徑，可以使用 -I 參數增加搜尋路徑，假設我們有一些標頭檔放在 /home/gtwang/include 目錄下，而要新增這個路徑就可以這樣寫：

# 新增標頭檔搜尋路徑
gcc -I/home/gtwang/include -o hello hello.c

在連結時期所需要函式庫名稱與路徑，可以透過 GCC 的 -l 與 -L 參數來指定。在 Linux 中假設有一個 libsum.a 函式庫放在 /home/gtwang/lib 目錄下，若要將其納入連結，則可以這樣寫：

# 納入指定的函式庫
gcc -lsum -L/home/gtwang/lib -o hello hello.c

關於 C/C++ 的函數庫製作方式，可以參考建立 C/C++ 靜態、共享與動態載入函式庫教學文章。

參考資料：Study-Area、NTU