如何编译和运行 C 程序（gcc 分步教程）

C 是一门编译型语言：在编译器把你的源代码翻译成适合你的 CPU 和操作系统的机器码之前，什么都运行不了。这一步只需要一条命令，但了解它做了什么，能让大多数错误信息从莫名其妙变得一目了然。

两条命令

把下面的代码保存为 hello.c：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello, C!\n");
    return 0;
}

然后在同一个文件夹中运行：

gcc hello.c -o hello
./hello

第一条命令负责编译，第二条运行编译结果。在 Windows 上，运行命令在命令提示符中是 hello，在 PowerShell 中是 .\hello：不需要 ./ 前缀，因为 Windows 默认会搜索当前目录，而 Unix shell 有意不这样做。

如果省略 -o hello，gcc 会把输出命名为 a.out（或 a.exe），这就是为什么老教程的最后一步都是 ./a.out。始终给输出文件命名吧，只多写四个字符，却能省去很多困惑。

下面是同一个程序，放在浏览器编辑器中，它会替你完成这两步：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello, C!\n");
    return 0;
}

“编译”到底做了什么

gcc hello.c -o hello 看起来是一步，其实是四步，每一步都可能以自己特有的方式出错。

1. 预处理。 在编译任何 C 代码之前，预处理器会处理每一个以 # 开头的行。#include <stdio.h> 会被原样替换成那个头文件的内容；#define 宏会被展开；#ifdef 块会被保留或删除。输出结果是一个不再含有 # 行的大 C 文件。你可以亲眼看看：

gcc -E hello.c

这会打印出几百行，几乎全是粘贴进来的 stdio.h。

2. 编译。 预处理后的 C 代码会经过解析、类型检查，并被翻译成适合你 CPU 的汇编代码。语法错误、类型错误和警告都出自这一步。

3. 汇编。 汇编代码变成目标文件：一种机器码，在调用其他文件中函数的地方留有占位符。

gcc -c hello.c   # produces hello.o, stops before linking

4. 链接。 目标文件与 C 标准库拼接在一起，每个占位符都被填上真实的地址，最终得到可执行文件。“undefined reference” 错误就出自这一步。

实际的结论是：编译错误会指向源代码中的某一行，而链接错误不会，因为链接发生在每一行代码都已经通过检查之后。

从第一天起就值得使用的编译选项

不加任何选项的 gcc file.c -o prog 会悄悄接受很多危险的代码。四个选项可以改变这一点。

gcc -std=c17 -Wall -Wextra -g hello.c -o hello

• -Wall 打开常见的警告。尽管名字如此，它并不是“全部”警告，而是一组合理的警告。
• -Wextra 再加上更多警告，包括未使用的参数和一些比较错误。
• -std=c17 固定语言标准，让你的代码在每台机器上都表示同样的意思。如果你在看较老的资料，就用 -std=c99。
• -g 保留调试信息，这样程序崩溃时，gdb 或 lldb 能显示出你实际的源代码行。

还有两个你迟早会用到：

• -O2 为发布版本打开优化。学习期间先别用：优化后的代码更难调试，警告有时也会变化。
• -fsanitize=address,undefined（gcc 和 clang 都支持）会让程序在越界读取或遇到未定义行为的那一刻中止，并给出清晰的信息。这是学习 C 语言时最有用的一个选项。

自己试试这些警告。下面这个程序可以编译和运行，但它有两个真正的 bug：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int count;
    printf("Count is %d\n", count);
    return 0;
}

count 从来没有被赋值，所以程序打印的是那块内存里碰巧存着的字节。加上 -Wall，编译器会指出这一点：'count' is used uninitialized。C 语言的警告几乎从来不是噪音，把它们当作你还没碰上的错误。

编译多个文件

真实的程序会拆分到多个文件中。把它们全部传给 gcc：

gcc -std=c17 -Wall main.c utils.c -o myprog

或者分别编译每个文件，最后再链接。构建系统就是这样做的，这样修改一个文件时不必重新构建所有文件：

gcc -c main.c      # -> main.o
gcc -c utils.c     # -> utils.o
gcc main.o utils.o -o myprog

有些库需要显式的链接选项。数学库是每个初学者都会碰到的那一个：

gcc calc.c -o calc -lm

不加 -lm 的话，使用 math.h 中的 sqrt 可以正常编译，但在链接时会失败，报出 undefined reference to sqrt：声明在头文件里，代码却在一个没人要求链接的库里。

读懂错误信息

C 语言的错误信息很简短，但很一致。下面三个例子涵盖了你早期会遇到的大部分情况。

漏写分号会在下一行报错，因为编译器一直往下读：

hello.c:5:5: error: expected ';' before 'return'

要改的是第 4 行，而不是第 5 行。每当错误指向一行看起来没问题的代码时，就检查它的上一行。

缺少头文件看起来像是一个谜：你明明把函数名拼对了：

hello.c:4:5: warning: implicit declaration of function 'printf'

这表示编译器从没见过 printf 的声明，也就是你忘了 #include <stdio.h>。在 C99 及以后的标准中，这是一个错误，而不只是警告。

链接失败根本没有行号：

/usr/bin/ld: main.o: in function `main':
main.c:(.text+0x1a): undefined reference to `helper'

编译器相信你说的 helper 存在于某个地方；链接器去找了，却没找到。要么你根本没写它的定义，要么拼写不一样，要么忘了把包含它的文件传给 gcc。

始终先修复第一个错误。C 语言的错误会连锁反应：一行错误的代码可能产生二十条信息，修好第一个，其余十九条就消失了。

退出码

main 中的 return 0 不是装饰。它是程序的退出状态，shell 可以读取它：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Doing work...\n");
    return 0;   /* 0 means success; any other value means failure */
}

运行之后，在 macOS/Linux 上执行 echo $?（在 Windows 上执行 echo %errorlevel%）会打印出这个数字。脚本和构建工具根据它来决定是否继续。这个约定是绝对的：0 表示成功，非零值是由你自己定义的错误码。如果你更喜欢用名字，stdlib.h 定义了 EXIT_SUCCESS 和 EXIT_FAILURE。

从 C99 开始，main 执行到末尾而没有 return 时，会被当作 return 0 处理；但写出来更清楚，而且其他所有函数都必须写。