「天龙八部」年轻人的第一个GCC交叉编译器

鹤立鸡群，曲高和寡。遮望眼，鸡立鹤群，白羽千冠不见天。

赋词一首，极言“差异”常常带来冷漠与歧视。但词中所述的只是一种极端情况，生活往往是多种事物揉杂而成的，不同的东西混合协调，带来了多样化，带来了可能性，带来了每天都不一样的新鲜日子。

交叉编译就是这样一个“和而不同”的合作过程。

“我性能差，那你能帮帮我吗？”

“当然可以，那你又能给我什么回报呢？”

“我用电少，还不烫。”

有人说为什么不能一步到位，那么不得不说的就是，有舍才有得，没有任何一件东西是完美无缺，一步到位的，不同的取舍导致了“我们”和“他们”之间恒久的差异，交流、协调与合作是不得已，却也是调味料。

交叉编译，说它是桥梁，倒不如说是合作本身。

# 编译GCC交叉编译器

我们年轻人啊，总会想要给树莓派编译一个FFmpeg，又或者是给赛扬NAS编译一个显卡驱动。等一等，宝友！这样高运算量的工作可不兴在这些“电子垃圾”上跑啊，我们得用大力出奇迹的高性能处理器来编译啊。这时候，就需要交叉编译上场了。

交叉编译器，顾名思义，就是在交叉编译中用于生成目标机器代码的编译器，是编译过程中必备的工具。今天，我们就一起来做爱心小……编译器吧！

# 前传三个机器名称

在一次编译过程中，一般需要给出三个机器名称，即编译系统（build）、运行系统（host）与目标系统（target），以便编译器生成对应机器的二进制代码。“build”是指目前我们正在用来编译的机器，“host”指的是用来运行我们正在编译的代码的机器，而“target”指的是运行最终生成的代码（不一定是我们正在编译的代码）的机器。我们在配置GCC的时候，需要通过--build=、--host=、与--target=选项来提供这些名称。

机器名称（triplet）一般遵循“machine-vendor-operatingsystem”的格式。“machine”指机器架构，如“x86_64”、“arm64”。“vendor”指制造商，如“pc”、“apple”等。“operatingsystem”指操作系统，如“linux-gnu”、“darwin21.2.0”。

通常机器名称可以通过gcc -dumpmachine来查看。

$ gcc -dumpmachine
x86_64-pc-linux-gnu # On a 64-bit linux platform

$ gcc -dumpmachine
arm64-apple-darwin21.2.0 # On a M1 MacBook

根据编译的用途，我们会设置不同的机器名称组合，各种组合也有各自的称呼。

编译类型	编译系统（build）	运行系统（host）	目标系统（target）	备注
本地编译（native）	A	A	A	A机器本地编译运行
交叉编译（cross）	A	A	B	通常是利用性能较强的A为性能较差或缺少特定编译器的B机器编译
交叉本地编译（crossed native）	A	B	B	使用A机器上预先编译好的交叉编译器在B机器上编译代码
加拿大编译（canadian）	A	B	C	通常是A机器性能较差，但具有独有的编译器
交叉回编译（crossback）	A	B	A	同上

今天，我们要编译的，就是在交叉编译中用到的GCC交叉编译器。

这一次，作为例子，我们就用一台arm64的Ubuntu机器来制作一个为x86_64 Linux系统编译代码的GCC交叉编译器。在这次编译中，由于我们即将编译的GCC交叉编译器就直接运行在本机，所以我们的“build”和“host”都是aarch64-linux-gnu，用Linux自身的MACHTYPE环境变量代替；而“target”则是我们的交叉编译器要生成代码的对象，也就是x86_64-pc-linux-gnu。

# 第一部配置环境

# 安装编译工具

首先使用系统包管理器安装一些编译中需要用到的工具，如g++、make等。

sudo apt-get update
sudo apt-get install g++ make gawk -y
sudo apt-get install vim wget xz-utils -y

# 确定版本

其次我们需要确定目标机器（target）的软件版本，包括编译GCC所需的Binutils、Glibc、系统头文件，以及GCC本身。因为我们编译得到交叉编译器后，生成的程序要在目标机器上运行，需要目标机器的程序库支持，所以我们在编译中最好按照目标机器的程序库版本来进行编译，可以避免不支持的情况。

举例来说，使用一个高版本Glibc的GCC交叉编译器编译得到的二进制程序，在低版本Glibc的目标机器上，很可能会出现如下错误，无法运行：

$ ./hello
./hello: /usr/lib/libc.so.6: version `GLIBC_2.34' not found (required by ./hello)

运行如下命令，可以帮助我们确定目标机器环境中的软件版本。

$ ld --version
GNU ld (GNU Binutils) 2.36.1
$ ldd --version
ldd (GNU libc) 2.33
$ gcc -v
GCC version 11.1.0 (GCC)
$ uname -r
5.15.16-1-MANJARO

或者可以访问DistroWatch网站，查询每个发行版的软件包版本作为参考。

我们要尽量保证我们编译的Binutils、Glibc、GCC和Linux内核版本是一个合理的组合，可以是我们目标机器上的组合，也可以是某个发行版中的组合，这些经过检验的组合可以帮助我们避免兼容问题。

# 建立工作目录

建立工作目录<workspace>，将Binutils、GCC、Glibc、Linux内核的源码都存放在<workspace>/src目录下，在src目录下再为Binutils、GCC、Glibc创建各自的编译目录。编译生成的文件存放在<workspace>/build目录下。

在实际操作中，本文中所有的<workspace>都应当用实际目录路径替代。

<workspace>
    |- build
    |- src
        |- binutils
        |- gcc
        |- glibc
        |- mpfr
        |- gmp
        |- isl
        |- cloog
        |- build-binutils
        |- build-gcc
        |- build-glibc
        |- linux-kernel

# 下载源码

我们可以从GNU FTP站或者国内镜像网站下载源码。

软件包	是否必须	下载链接	国内镜像	作用
Binutils	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	包含了链接器与汇编器等其他工具。
GCC	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	GNU Compilation Collection，包含C、C++的编译器。
Glibc	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	基础C程序库，包含C程序运行的基本函数。
Linux内核	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	Glibc运行需要依赖Linux内核的头文件。
mpfr	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	包含了一些多精度数值运算的函数。
gmp	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	包含了一些多精度数值运算的函数。
mpc	TRUE	GNU FTP	中科大镜像	包含了一些多精度数值运算的函数。
ISL	FALSE	GitHub	N/A	编译优化，可选。
cloog	FALSE	GitHub	N/A	编译优化，可选。

我们将源码都存放到<workspace>/src目录下，然后进入GCC源码文件夹，将编译GCC所需的mpfr、gmp、isl、cloog源码链接到GCC源码文件夹里。

cd <workspace>/src/gcc
ln -s ../mpfr mpfr
ln -s ../gmp gmp
ln -s ../mpc mpc
ln -s ../isl isl
ln -s ../cloog cloog

稍后，我们将进入build-binutils、build-gcc、build-glibc这三个编译目录进行编译。

# 设置环境变量

接下来我们着手配置一些环境变量，方便我们在本次编译中使用。由于这些变量只针对本次编译，我们希望下次打开终端时自动还原这些变量，所以我们只需要用export命令在当前终端会话中设置即可。

我们首先配置几个重要环境变量来方便我们的编译。

export PREFIX="<workspace>"
export TARGET=x86_64-pc-linux-gnu
export PATH="$PREFIX/bin:$PATH"

PREFIX目录会被用来存放编译生成的文件。

TARGET就是我们的目标机器。

PATH中则添加了我们编译生成的二进制代码文件所在目录。因为编译GCC之前，我们还需要把其所需的binutils程序库也编译到PREFIX目录下，所以我们要预先将其加入路径变量，稍后编译GCC时，系统就能自动查找到所需的binutils程序。

# 第二部编译Binutils

Binutils程序库包含了编译GCC过程中必须的一些程序，例如汇编器as、连接器ld等等。

进入Binutils编译文件夹，运行下述命令配置、编译。

cd <workspace>/src/build-binutils
../binutils/configure --prefix=$PREFIX \
    --build=$MACHTYPE --host=$MACHTYPE \
    --target=$TARGET \
    --with-sysroot="$PREFIX/$TARGET/sys-root" \
    --disable-multilib \
    --disable-shared --disable-nls
make -j$(nproc)
make install

--prefix=配置了生成的程序存放的目录，二进制可执行文件会被放在$PREFIX/bin目录下，库文件一般会被放到$PREFIX/include目录下。

--build=、--host=、--target=则配置了三个机器名称。这里我们用MACHTYPE系统变量调用了系统自身的名称。

--with-sysroot=指定了Liunx头文件所在的位置。因为我们的目标机器是另一种架构的Linux系统，所以在编译时需要提供对应的Linux头文件。

--disable-multilib关闭了对Multilib的支持。由于我们不需要同时支持32位机器，所以可以关闭此项。

--disable-shared强制编译时静态链接内部库，以防止本机的程序库被调用，产生兼容问题。

--disable-nls关闭了多语言支持。因为我们编译的只是编译器工具，所以无需打开。

# 第三部安装Linux头文件

由于GCC依赖于C运行库Glibc，而Glibc要运行起来又需要Linux的程序编程接口，因此我们需要从Linux内核中提取Linux头文件供其使用。

cd <workspace>/src/linux-kernel
make ARCH=x86_64 INSTALL_HDR_PATH="$PREFIX/$TARGET/sys-root/usr" headers_install

# 第四部第一次编译GCC

为什么叫第一次呢？什么事都有第一次，对吧。有些第一次，会很难，但一定要做，不做就不会有下一次，就不会有第三次第四次，就不会有丰富绚烂的人生。

打住。

由于GCC和Glibc程序库存在相互依赖关系，因此一开始编译GCC时，能编译，但只能编译一点点。编译好之后，再编译Glibc，但也只能一点点。然后再回过头来编译完整的GCC。

那么这就开始第一拨的GCC编译。

进入GCC源码文件夹，运行如下命令配置并编译。

cd <workspace>/src/build-gcc
../gcc/configure --prefix=$PREFIX \
    --build=$MACHTYPE --host=$MACHTYPE \
    --target=$TARGET \
    --with-sysroot="$PREFIX/$TARGET/sys-root" \
    --with-build-sysroot="$PREFIX/$TARGET/sys-root" \
    --disable-multilib \
    --disable-shared --disable-nls \
    --with-zstd \
    --enable-languages=c,c++,fortran
make -j$(nproc) all-gcc
make install-gcc

--with-zstd可以开启比默认Zlib压缩算法更高效的Zstd压缩算法。编译流程中的链接时优化（LTO, Link-Time Optimization）通常需要处理大量数据，因而需要高效的压缩算法。据报道，Zstd压缩算法可以在压缩比率相近的条件下，提高4-8倍链接速度。

--enable-languages=配置了最终的GCC交叉编译器所支持的语言，可以根据需要选择，一般选择c与c++即可。

# 第五部第一次编译Glibc

有了初次编译的GCC作为基础，我们就可以进一步编译第一拨的Glibc了。首先进行配置：

cd <workspace>/src/build-glibc
CC=$TARGET-gcc \
    LD=$TARGET-ld \
    AR=$TARGET-ar \
    RANLIB=$TARGET-ranlib \
    ../glibc/configure --prefix=/usr \
    --build=$MACHTYPE --host=$TARGET \
    --target=$TARGET \
    --with-headers="$PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/include" \
    --disable-multilib \
    --disable-werror \
    libc_cv_forced_unwind=yes

CC=、LD=、AR=、RANLIB=确保在编译过程中调用我们第二部中编译的Binutils工具，而非系统自带的工具集。

--prefix=指定程序文件安装的目录。由于Glibc文件需要安装到Linux头文件所在的$PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/目录下，我们先指定--prefix为/usr，并在使用make命令安装时指定目录前缀为$PREFIX/$TARGET/sys-root。

--host=与前几部时不同，我们在这里指定了运行系统名称为$TARGET，也即目标机器。这是因为Glibc是目标程序在运行时所需的运行库，最终将运行在目标机器上。

--disable-werror使得编译GCC时，不将警告（warning）作为错误（error），防止因为警告中止编译。

libc_cv_forced_unwind=yes跳过了编译过程中对强制栈展开的测试。因为我们第二部中编译的Binutils链接器是交叉链接器，在没有编译完Glibc前无法使用，所以尚且不支持强制栈展开，在此需要关闭对其的检测。

配置完成后，我们需要安装一些Glibc的头文件，供编译GCC使用。

cd <workspace>/src/build-glibc
make \
    install-bootstrap-headers=yes \
    install_root=$PREFIX/$TARGET/sys-root \
    install-headers
# Make and install csu related files
make -j6 csu/subdir_lib
mkdir $PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/lib
install csu/crt1.o csu/crti.o csu/crtn.o $PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/lib
# Create dummy libc.so and stubs.h
$TARGET-gcc \
    -nostdlib \
    -nostartfiles \
    -shared \
    -x c /dev/null \
    -o $PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/lib/libc.so
touch $PREFIX/$TARGET/sys-root/usr/include/gnu/stubs.h

在上面的步骤中，我们安装了csu/crt1.o、csu/crti.o、csu/crtn.o，并创建了临时的libc.so、stubs.h文件，以供下一步使用

# 第六部编译libgcc

接下来，我们需要使用第四部中得到的GCC来编译一些支持库，这些程序库将会在第二次编译Glibc中用到。

cd <workspace>/src/build-gcc
rm gcc/stmp-fixinc
make -j$(nproc) all-target-libgcc
make install-target-libgcc

rm gcc/stmp-fixinc是为了防止在最后一次编译GCC时出现PATH_MAX定义错误，报错类似于‘PATH_MAX’ was not declared in this scope。

# 第七部第二次编译Glibc

这一部中，我们要完成Glibc的编译，生成静态程序库libc.a以及动态程序库libc.so。

cd <workspace>/src/build-glibc
make -j$(nproc)
make install_root="$PREFIX/$TARGET/sys-root" install

# 第八部第二次编译GCC

天龙八部齐活了，现在只需要……完成GCC的编译。

cd <workspace>/src/build-gcc
make -j$(nproc)
make install

# 完结撒花

如果中途没有出错（应该是不可能的，如果出错，请查看文末锦囊），那么你已经可以使用<workspace>/build/$TARGET-gcc -v来查看我们刚才编译的交叉编译器了，甚至还能用它来编译点小玩意！

一些题外话，在我花了整整一个礼拜弄明白怎么编译交叉编译器之后，我发现我才仅仅是来到了交叉编译的起跑线。为了交叉编译FFmpeg，我需要先编译好目标机器所用的所有程序库，包括x264、x265、libfdk-aac、libass等等十来个。当我编译的第五个程序库，也就是x265，因为multilib问题报错时，我已经心灰意冷。

你猜最终怎么着？

乖乖本地编译。

和而不同真的那么简单吗，鸡同鸭讲、对牛弹琴这些成语可不是说着玩玩的。“那你能帮帮我吗？”这句看似轻松的话，背后有多少磨合，需要多少付出，又有谁人知晓。

# 锦囊

登陆全球最大在线大学www.Google.com，搜索错误代码，真人程序员，在线发……答疑。

# 参阅

[1] How to Build a GCC Cross-Compiler by Jason

[2] Linux From Scratch

[3] GCC Fails to Build from Mailing list for the GCC project

[4] A guide to cross-compiling applications

「天龙八部」年轻人的第一个GCC交叉编译器

GCC Cross Compiler, Make It Your Own

# 编译GCC交叉编译器

# 前传 三个机器名称

# 第一部 配置环境