2. 程序编译

本章配套视频介绍:

../../_images/video.png

《20-在鲁班猫上使用GCC编译程序》

https://www.bilibili.com/video/BV1wc411P752/

本章以Linux下使用GCC编译Hello World程序来讲解Linux C编程的相关流程和概念。 我们可以在电脑上的linux系统以及LubanCat-RK板卡上编译C语言程序

在Windows下开发C程序代码可以用Visual Studio,开发MCU的程序可以使用Keil、IAR等IDE集成开发环境;而在Linux下也有类似的IDE,如eclipse、Clion等。在这些环境下开发通常我们按照它们预定的步骤建立工程模板,再编写具体的代码,直接点击对应的编译、运行按钮即可完成操作。

在开发大型应用程序特别是调试的时候,使用IDE是非常好的选择, IDE的一个特点是它把各种常用操作封装成图形界面供用户使用,但如同学习Shell命令行的原因一样,在图形界面之下还潜藏着海量的功能,在Linux下的日常开发中常常直接使用命令行来操作,编译时配合其它命令行工具的时候简单快捷,而且非常直观,有利于了解编译的原理。

本章通过解构hello world程序在Linux下的编译运行过程, 掌握GCC、readelf、ldd工具的基本使用,便于理解开发流程以及后期建立编译工具链是要做什么事情。 了解各编译步骤及其生成的文件,这对后期编写Makefile及使用其它工具大有好处。 了解程序的链接过程有利于明白为什么某些程序需要 依赖特定的文件,从而方便专门定制Linux文件系统。

本章的示例代码目录为:base_linux/hello

2.1. GCC编译工具链

GCC编译工具链(toolchain)是指以GCC编译器为核心的一整套工具,用于把源代码转化成可执行应用程序。它主要包含以下三部分内容:

  • gcc-core:即GCC编译器,用于完成预处理和编译过程,例如把C代码转换成汇编代码。

  • Binutils :除GCC编译器外的一系列小工具包括了链接器ld,汇编器as、目标文件格式查看器readelf等。

  • glibc:包含了主要的 C语言标准函数库,C语言中常常使用的打印函数printf、malloc函数就在glibc 库中。

在很多场合下会直接用GCC编译器来指代整套GCC编译工具链。

2.1.1. GCC编译器

GCC(GNU Compiler Collection)是由 GNU 开发的编程语言编译器。 GCC最初代表“GNU C Compiler”,当时只支持C语言。 后来又扩展能够支持更多编程语言,包括 C++、Fortran 和 Java 等。 因此,GCC也被重新定义为“GNU Compiler Collection”,成为历史上最优秀的编译器, 其执行效率与一般的编译器相比平均效率要高 20%~30%。

LubanCat-RK系列板卡预装了gcc编译器,如果在你的系统中没有gcc,使用下列方法联网安装

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sudo apt install gcc

查看gcc的版本以及所在的位置

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#在板卡上执行如下命令
gcc -v          #查看gcc编译器版本
which gcc       #查看gcc的安装路径
系统自带的GCC编译器

图中的两处信息说明如下:

  • “Target: aarch64-linux-gnu”表示该GCC的目标平台为ARM64位架构, 表示它编译生成的应用程序只适用于ARM板卡平台,不适用于x86架构。

  • “gcc version 9.4.0”表明该GCC的版本为9.4.0,部分程序可能会对编译器版本有要求, 不过我们演示使用的应用程序比较简单,兼容性好,一开始可以不用在乎这个, 而编译指定版本的uboot、Linux内核的时候可能会对GCC有版本要求。

2.1.2. Binutils工具集

Binutils(bin utility),是GNU二进制工具集,通常跟GCC编译器一起打包安装到系统,它的官方说明网站地址为: https://www.gnu.org/software/binutils/

在进行程序开发的时候通常不会直接调用这些工具,而是在使用GCC编译指令的时候由GCC编译器间接调用。下面是其中一些常用的工具:

  • as:汇编器,把汇编语言代码转换为机器码(目标文件)。

  • ld:链接器,把编译生成的多个目标文件组织成最终的可执行程序文件。

  • readelf:可用于查看目标文件或可执行程序文件的信息。

  • nm : 可用于查看目标文件中出现的符号。

  • objcopy: 可用于目标文件格式转换,如.bin 转换成 .elf 、.elf 转换成 .bin等。

  • objdump:可用于查看目标文件的信息,最主要的作用是反汇编。

  • size:可用于查看目标文件不同部分的尺寸和总尺寸,例如代码段大小、数据段大小、使用的静态内存、总大小等。

系统默认的Binutils工具集位于/usr/bin目录下,可使用如下命令查看系统中存在的Binutils工具集:

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#在Ubantu上执行如下命令
ls /usr/bin/ | grep linux-gnu-
Binutils工具集的部分内容

图中列出的是Binutils工具的完整名字,在终端中使用时通常直接使用它们的别名即可, 在后面的讲解我们会使用到readelf工具。

2.1.3. glibc库

glibc库是GNU组织为GNU系统以及Linux系统编写的C语言标准库,因为绝大部分C程序都依赖该函数库,该文件甚至会直接影响到系统的正常运行,例如常用的文件操作函数read、write、open,打印函数printf、动态内存申请函数malloc等。

在Ubuntu系统下,libc.so.6是glibc的库文件,可直接执行该库文件查看版本,在主机上执行如下命令:

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#在Ubantu上执行如下命令
#以下是Ubuntu 64位机的glibc库文件路径,可直接执行
/lib/aarch64-linux-gnu/libc.so.6
直接运行glibc函数库查看其版本

图中表示本系统中使用的glibc是2.31版本,是由GCC 9.4.0版本的编译器编译出来的。

学习C语言的时候,可能有同学特别好奇printf、malloc之类的函数是如何实现的, 但是在Windows下的C库是不开源的,无法查看,而在Linux下, 则可以直接研究glibc的源代码,甚至加入开发社区贡献自己的代码,glibc的官网地址为: https://www.gnu.org/software/libc/ ,可在该网站中下载源代码来学习。

为了更直观地感受GCC编译工具,请跟着以下的步骤来打开新世界的大门吧。

2.2. HelloWorld

2.2.1. 创建工作目录

先在当前用户下创建一个本章节使用的工作目录test。

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#在Debian上执行如下命令
mkdir test #创建test目录
cd test       #切换目录

2.2.2. 编写代码文件

使用编辑器新建一个名为hello.c的文件,输入如下面的示例代码并保存至hello_c目录下。

base_linux/hello/hello/hello.c
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#include <stdio.h>

int main()
{
	int i;
    printf("hello, world! This is a C program.\n");
    for(int i=0;i<10;i++ ){
        printf("output i=%d\n",i);
    }

    return 0;
}

2.2.3. 编译并执行

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#使用gcc把hello.c编译成hello程序
gcc hello.c -o hello

ls        #查看目录下的文件
./hello   #执行生成的hello程序

#若提示权限不够或不是可执行文件,执行如下命令再运行hello程序
chmod u+x hello #给hello文件添加可执行权限

如下图:

GCC编译结果

这就是在Linux下使用GCC开发简单C应用程序并运行的基本流程,下面我们针对GCC编译过程进行讲解。

2.3. GCC编译过程

2.3.1. 基本语法

GCC使用的命令语法如下:

gcc [选项] 输入的文件名

常用选项:

  • -o:小写字母“o”,指定生成的可执行文件的名字,不指定的话生成的可执行文件名为a.out。

  • -E:只进行预处理,既不编译,也不汇编。

  • -S:只编译,不汇编。

  • -c:编译并汇编,但不进行链接。

  • -g:生成的可执行文件带调试信息,方便使用gdb进行调试。

  • -Ox:大写字母“O”加数字,设置程序的优化等级,如“-O0”“-O1” “-O2” “-O3”, 数字越大代码的优化等级越高,编译出来的程序一般会越小,但有可能会导致程序不正常运行。

2.3.1.1. 编译过程

若不了解程序的编译过程,那么GCC的编译选项会让人一头雾水。下面以X86_64平台下Ubuntu的编译过程为例进行初步讲解, ARM平台下Debian的编译过程也是类似的,不再进行分析。

GCC编译选项除了-g和-Ox选项,其它选项实际上都是编译的分步骤,即只进行某些编译过程。

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#直接编译成可执行文件
gcc hello.c -o hello

#以上命令等价于执行以下全部操作
#预处理,可理解为把头文件的代码汇总成C代码,把*.c转换得到*.i文件
gcc -E hello.c -o hello.i

#编译,可理解为把C代码转换为汇编代码,把*.i转换得到*.s文件
gcc -S hello.i -o hello.s

#汇编,可理解为把汇编代码转换为机器码,把*.s转换得到*.o,即目标文件
gcc -c hello.s -o hello.o

#链接,把不同文件之间的调用关系链接起来,把一个或多个*.o转换成最终的可执行文件
gcc hello.o -o hello

对于有MCU开发经验的读者,建议学习一下野火的《STM32库开发实战指南》、《i.MX RT库开发实战指南》中《MDK的编译过程及文件详解》章节,它从MCU的角度非常详细地讲解了上述编译过程。GCC的编译过程也是一样的,而且在Linux平台下解构这个过程更加直观,不过本章作为入门章节,仅从表面去建立编译原理的轮廓,不作深入介绍。

GCC 编译工具链在编译一个C源文件时需要经过以下 4 步:

  1. 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)进行展开,生成.i文件。 可理解为把头文件的代码、宏之类的内容转换成更纯粹的C代码,不过生成的文件以.i为后缀。

  2. 编译,把预处理后的.i文件通过编译成为汇编语言,生成.s文件,即把代码从C语言转换成汇编语言,这是GCC编译器完成的工作。

  3. 汇编,将汇编语言文件经过汇编,生成目标文件.o文件,每一个源文件都对应一个目标文件。即把汇编语言的代码转换成机器码,这是as汇编器完成的工作。

  4. 链接,最后将每个源文件对应的.o文件链接起来,就生成一个可执行程序文件,这是链接器ld完成的工作。

以上一节的hello.c为例,后面括号代表的是gcc的参数,分步骤编译过程如下图所示。

gcc编译过程

关于编译原理,大家可以找专门的书籍阅读加深理解,这对程序开发大有裨益,下面带领大家浏览一下各个阶段生成的文件。

2.3.2. 预处理阶段

使用GCC的参数“-E”,可以让编译器生成.i文件,参数“-o”,可以指定输出文件的名字。

具体执行命令如下:

#预处理,可理解为把头文件的代码汇总成C代码,把*.c转换得到*.i文件
gcc -E hello.c -o hello.i

直接用编辑器打开生成的hello.i,可以看到如下的内容

hello.i文件
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# 1 "hello.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 32 "<command-line>" 2
# 1 "hello.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 1 3 4
# 33 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 424 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
# 427 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 428 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/long-double.h" 1 3 4
# 429 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 425 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 448 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
# 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
# 449 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 34 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/libc-header-start.h" 2 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 1 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
# 216 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/include/stddef.h" 3 4
typedef long unsigned int size_t;
# 34 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 28 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types.h" 2 3 4
typedef unsigned char __u_char;
typedef unsigned short int __u_short;

...中间省略部分内容...

int main(void)
{
printf("hello, world! This is a C program.\n");
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("output i = %d\n", i );
}
return 0;
}

文件中以“#”开头的是注释,可看到有非常多的类型定义、函数声明被加入到文件中, 这些就是预处理阶段完成的工作,相当于它把原C代码中包含的头文件中引用的内容汇总到一处。 如果原C代码有宏定义,还可以更直观地看到它把宏定义展开成具体的内容(如宏定义代表的数字)。

2.3.3. 编译阶段

GCC可以使用-S选项,让编译程序生成汇编语言的代码文件(.s后缀)。 在这个过程,GCC会检查各个源文件的语法,即使我们调用了一个没有定义的函数,也不会报错。

具体命令如下,生成的hello.s文件可直接使用编辑器打开。

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#编译,可理解为把C代码转换为汇编代码,把*.i转换得到*.s文件
gcc -S hello.i -o hello.s

#也可以直接以C文件作为输入进行编译,与上面的命令是等价的
gcc -S hello.c -o hello.s

编译生成的hello.s文件内容如下:

hello.s文件
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      .arch armv8-a
        .file        "hello.c"
        .text
        .section     .rodata
        .align       3
.LC0:
     .string "hello, world! This is a C program."
     .align  3
.LC1:
     .string "output i=%d\n"
     .text
     .align  2
     .global main
     .type   main, %function
main:
.LFB0:
     .cfi_startproc
     stp     x29, x30, [sp, -32]!
     .cfi_def_cfa_offset 32
     .cfi_offset 29, -32
     .cfi_offset 30, -24
     mov     x29, sp
     adrp    x0, .LC0
     add     x0, x0, :lo12:.LC0
     bl      puts
     str     wzr, [sp, 28]
     b       .L2
.L3:
     ldr     w1, [sp, 28]
     adrp    x0, .LC1
     add     x0, x0, :lo12:.LC1
     bl      printf
     ldr     w0, [sp, 28]
     add     w0, w0, 1
     str     w0, [sp, 28]
.L2:
     ldr     w0, [sp, 28]
     cmp     w0, 9
     ble     .L3
     mov     w0, 0
     ldp     x29, x30, [sp], 32
     .cfi_restore 30
     .cfi_restore 29
     .cfi_def_cfa_offset 0
     ret
     .cfi_endproc
.LFE0:
     .size   main, .-main
     .ident  "GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0"
     .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

2.3.4. 汇编阶段

GCC的参数“c”表示只编译(compile)源文件但不链接,会将源程序编译成目标文件(.o后缀)。计算机只认识0或者1,不懂得C语言,也不懂得汇编语言,经过编译汇编之后,生成的目标文件包含着机器代码,这部分代码就可以直接被计算机执行。一般情况下,可以直接使用参数“c”,跳过上述的两个过程,具体命令 如下:

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#汇编,可理解为把汇编代码转换为机器码,把*.s转换得到*.o,即目标文件
gcc –c hello.s –o hello.o

#也可以直接以C文件作为输入进行汇编,与上面的命令是等价的
gcc –c hello.c –o hello.o

.o是为了让计算机阅读的,所以不像前面生成的.i和*.s文件直接使用字符串来记录, 如果直接使用编辑器打开,只会看到乱码,如下图。

直接使用VS Code打开*.o文件的提示

Linux下生成的*.o目标文件、*.so动态库文件以及下一小节链接阶段生成最终的可执行文件都是elf格式的, 可以使用“readelf”工具来查看它们的内容。

请亲自尝试执行如下命令:

#在hello.o所在的目录执行如下命令
readelf -a hello.o
使用readelf查看*.o目标文件(部分内容)

从readelf的工具输出的信息,可以了解到目标文件包含ELF头、程序头、节等内容, 对于*.o目标文件或*.so库文件,编译器在链接阶段利用这些信息把多个文件组织起来, 对于可执行文件,系统在运行时根据这些信息加载程序运行。

2.3.5. 链接阶段

链接过程,是将汇编过程生成的所有目标文件进行链接,生成可执行文件。

例如一个工程里包含了A和B两个代码文件,编译后生成了各自的A.o和B.o目标文件, 如果在代码A中调用了B中的某个函数fun,那么在A的代码中只要包含了fun的函数声明, 编译就会通过,而不管B中是否真的定义了fun函数(当然,如果函数声明都没有,编译也会报错)。 也就是说A.o和B.o目标文件在编译阶段是独立的,而在链接阶段, 链接过程需要把A和B之间的函数调用关系理顺,也就是说要告诉A在哪里能够调用到fun函数, 建立映射关系,所以称之为链接。若链接过程中找不到fun函数的具体定义,则会链接报错。

虽然本示例只有一个hello.c文件,但它调用了C标准代码库的printf函数, 所以链接器会把它和printf函数链接起来,生成最终的可执行文件。

链接分为两种:

  • 动态链接,GCC编译时的默认选项。动态是指在应用程序运行时才去加载外部的代码库, 例如printf函数的C标准代码库*.so文件存储在Linux系统的某个位置, hello程序执行时调用库文件*.so中的内容,不同的程序可以共用代码库。 所以动态链接生成的程序比较小,占用较少的内存。

  • 静态链接,链接时使用选项“–static”,它在编译阶段就会把所有用到的库打包到自己的可执行程序中。 所以静态链接的优点是具有较好的兼容性,不依赖外部环境,但是生成的程序比较大。

请尝试执行如下命令体验静态链接与动态链接的区别:

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#在hello.o所在的目录执行如下命令
#动态链接,生成名为hello的可执行文件

gcc hello.o –o hello

#也可以直接使用C文件一步生成,与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello

#静态链接,使用--static参数,生成名为hello_static的可执行文件
gcc hello.o –o hello_static --static

#也可以直接使用C文件一步生成,与上面的命令等价
gcc hello.c -o hello_static --static
动态链接和静态链接的区别

从图中可以看到,使用动态链接生成的hello程序才9.1KB, 而使用静态链接生成的hello_static程序则高达595KB。

在Ubuntu下,可以使用ldd工具查看动态文件的库依赖,尝试执行如下命令:

#在hello所在的目录执行如下命令
ldd hello
ldd hello_static
使用ldd工具查看动态文件的库依赖

可以看到,动态链接生成的hello程序依赖于库文件linux-vdso.so.1、libc.so.6 以及ld-linux-aarch64.so.1,其中的libc.so.6就是我们常说的C标准代码库, 我们的程序中调用了它的printf库函数。

静态链接生成的hello_static没有依赖外部库文件。

2.4. HelloWorld进阶版-1

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#C语言端
int main(int xxx , char **xxxx)

#命令端执行
./hello aaa bbb ccc

在main函数里,也是具有传参的,传的参数全部都会保存下来

  • int xxx :保存参数的个数,上例中xxx = 4

  • char **xxxx保存传入的参数的指向字符串数组的指针,
    1. argv[0]=”./hello”

    2. argv[1]=”aaa”

    3. argv[2]=”bbb”

    4. argv[3]=”ccc”

在LubanCat板卡上使用编辑器新建一个名为hello_arg.c的文件,输入如下面的示例代码并保存至hello_arg.c目录下。

base_linux/hello/hello_arg/hello_arg.c
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#include <stdio.h>
/* 执行命令: ./hello lubancat
* argc = 2
* argv[0] = ./hello
* argv[1] = lubancat
*/
int main(int argc,char **argv)
{
    int i;
	if(argc >= 2){
		printf("you enter: \""); 
		//打印每一个参数
		for(i = 0 ; i<argc ;i++)
			printf("%s ",argv[i]);
		printf("\"\n");
		//打印参数的个数
		printf("you enter %d strings\n",argc);
	}
	else
		printf("hello, world! This is a C program.\n");
    return 0;
}

2.4.1. 编译并执行

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#使用gcc把hello_arg.c编译成hello程序
gcc hello_arg.c -o hello

#我们可以尝试不同的值

./hello
./hello lubancat
./hello I am pc!
./hello I delete king of honor

如下图:

GCC编译结果

注意

输入的参数都是以字符串的形式保存, 如果输入数字的话,需要字符串转成数字类型才能使用

2.5. HelloWorld进阶版-2

增加选项配置,像我们平常用的ls命令, 我们可以在后面加入不同的选项就可以实现不一样的功能

使用编辑器新建一个名为hello_opt.c的文件,输入如下面的示例代码并保存至hello_opt.c目录下。

base_linux/hello/hello_opt/hello_opt.c
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#include <stdio.h>
#include <getopt.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//打印帮助信息
void usage(const char *argv_0)
{
	printf("\nUsage %s: [-option] \n", argv_0);
	printf("[-a] hello!\n");
	printf("[-b] i am lubancat\n");
	printf("[-c<str>] str\n");;
	printf("[-d<num>] printf num of '*' (num<100)\n");
	printf("[-h] get help\n");
	exit(1);
}


//打印n个*号
void d_option(char *num_str)
{
	int num,i;
	int ge,shi;
	shi = (char)num_str[0] - 48 ;
	ge = (char)num_str[1] - 48 ;
	num = shi*10+ge;
	for(i = 0 ;i <num;i++ )
		printf("*");
	printf("*\n");
}


int main(int argc,char **argv)
{
    int i;
	int opt;
	//轮询获取选项
	while((opt = getopt(argc, argv, "c:d:abh")) != -1) {	//字母后面带冒号的需要有参数的
		switch (opt) {
		case 'a':
			printf("hello!\n");
			break;

		case 'b':
			printf("i am lubancat\n");
			break;

		case 'c':
			if(optarg)
				if(optarg[0] == '-')
					usage(argv[0]);
				else
					printf("%s\n",optarg);
			else
				usage(argv[0]);
			break;

		case 'd':
			if(optarg)					//后面没有参数
				if(optarg[0] == '-')	//后面不能跟'-'
					usage(argv[0]);
				else
					if(strlen(optarg) < 3)		//不超过100
						d_option(optarg);
					else
						usage(argv[0]);
			else
				usage(argv[0]);
			break;
			
		default:
			usage(argv[0]);
			break;
		}
	}

    return 0;
}

该程序主要依赖<getopt.h>的库,getopt函数

2.5.1. 编译并执行

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#使用gcc把hello_arg.c编译成hello程序
gcc hello_opt.c -o hello

#我们可以尝试不同的值

./hello
./hello -a
./hello -b
./hello -c xxxx
./hello -d num
./hello -abcd
……………………

如下图:

GCC编译结果