什么是交叉编译？

要理解交叉编译的核心概念：

• 本地编译：在你的开发机器（x86 架构的 Ubuntu PC）上，编译一个能在同一台机器上运行的程序，在 Ubuntu 上编译一个 .out 文件，然后直接在 Ubuntu 上运行它。
• 交叉编译：在你的开发机器（Host，主机）上，编译一个能在不同架构的目标机器（Target，目标机）上运行的程序，在你的 Ubuntu PC 上，编译一个能在 ARM 架构的树莓派或嵌入式设备上运行的程序。

为什么需要交叉编译？ 因为很多目标设备（如路由器、智能手表、工业控制器）性能有限，没有足够的资源来安装完整的编译器（如 GCC）和操作系统，你只能在功能强大的开发主机上完成所有代码的编写和编译，然后将编译好的可执行文件传输到目标设备上运行。

交叉编译的核心要素

要进行交叉编译,你需要以下三个关键组件：

1. 交叉编译工具链：这是最重要的部分，它是一组专门为目标架构编译代码的工具，虽然名字可能还是 gcc、g++、ar 等，但它们是经过特殊修改的，知道如何生成目标架构的机器码。

   • 工具链的命名遵循一个约定：<arch>-<vendor>-<os>-<gcc-version>
   • arm-linux-gnueabihf-gcc (用于 ARMv7 硬浮点 Linux 系统) 或 aarch64-linux-gnu-gcc (用于 ARMv64 AArch64 Linux 系统)。
   • vendor 通常是 linux 或其他厂商名。
   • os 是目标操作系统，如 linux。
   • gcc-version 是 GCC 的版本号。

2. 目标平台的头文件和库：你的代码可能依赖于目标系统上的某些库（如 C 标准库、libc），你需要提供这些库的头文件（.h 文件）和静态/动态库文件（.a / .so 文件），以便编译器在编译和链接时使用。

   
   （图片来源网络，侵删）

3. GCC 的命令行参数：你需要使用 gcc 的特定选项来告诉它：

   • 要编译成哪种目标架构（-march, -mcpu）。
   • 要链接哪个平台的库（--sysroot）。
   • 要使用哪个链接器脚本（-T）。

交叉编译实践步骤

第1步：获取交叉编译工具链

最简单的方式是使用包管理器安装。

以在 Ubuntu/Debian 上安装 ARM 工具链为例：

# 安装支持 ARMv7 (armhf) 硬浮点的工具链
sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf g++-arm-linux-gnueabihf
# 安装支持 ARMv64 (aarch64) 的工具链
sudo apt-get install gcc-aarch64-linux-gnu g++-aarch64-linux-gnu

安装后,你可以在终端中直接使用这些编译器：

# 查看编译器版本信息，它会告诉你它为哪个目标平台编译
arm-linux-gnueabihf-gcc -v
aarch64-linux-gnu-gcc -v

第2步：准备一个简单的 C 程序

创建一个 hello.c 文件：

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

第3步：执行交叉编译命令

我们使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 来编译这个程序，目标是生成一个在 ARM 设备上运行的 32 位可执行文件。

arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello_arm

命令解析：

• arm-linux-gnueabihf-gcc：我们使用的交叉编译器。
• hello.c：源文件。
• -o hello_arm：指定输出的可执行文件名为 hello_arm。

如何验证编译结果？

我们可以使用 file 命令来查看生成的可执行文件的架构信息：

file hello_arm

输出会类似这样：

hello_arm: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, for GNU/Linux 3.2.0, with debug_info, not stripped

关键信息是 ELF 32-bit LSB executable, ARM，这明确告诉我们这是一个为 ARM 32 位架构编译的可执行文件，它不能在你的 x86 PC 上直接运行。

更复杂的场景：链接外部库

在真实项目中,你几乎肯定会用到第三方库（如 openssl, zlib, curl），这时，你需要告诉编译器去哪里找这些库的头文件和库文件。

假设我们有一个程序 main.c，它使用了一个名为 mylib 的自定义库，这个库的头文件在 /path/to/mylib/include，库文件在 /path/to/mylib/lib。

编译和链接命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc \
    main.c \
    -o my_app \
    -I /path/to/mylib/include \  # 指定头文件搜索路径
    -L /path/to/mylib/lib      \  # 指定库文件搜索路径
    -lmylib                     # 链接名为 libmylib.a 或 libmylib.so 的库

参数解析：

• -I <dir>：-I 是大写的 i，用于添加头文件的搜索路径。
• -L <dir>：-L 是大写的 L，用于添加库文件的搜索路径。
• -l<name>：-l 是小写的 L，用于链接库，它会自动加上 lib 前缀和 .a / .so 后缀去查找。-lmylib 会查找 libmylib.a 或 libmylib.so。

高级选项：使用 --sysroot

当一个项目依赖很多系统库时,手动指定 -I 和 -L 会变得非常繁琐，一个更优雅的解决方案是使用 --sysroot。

--sysroot 选项告诉编译器，将指定的目录作为“根目录”，所有的系统头文件和库都相对于这个目录去查找。

准备工作：

1. 在你的开发主机上,为目标系统创建一个完整的文件系统副本，这个副本通常包含 /lib, /usr/lib, /include, /usr/include 等目录，这个目录结构通常可以从目标设备的发行版（如 Buildroot, Yocto）中获取，或者从已经运行的设备上通过 scp 或 nfs 拷贝过来，假设这个目录是 /opt/arm-sysroot。

2. 确保这个 sysroot 中的库是兼容的（都是 ARM 硬浮点 ABI）。

使用 --sysroot 的编译命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc \
    main.c \
    -o my_app \
    --sysroot=/opt/arm-sysroot

当你的代码 #include <stdio.h> 时，编译器会自动去 /opt/arm-sysroot/usr/include 查找 stdio.h，当它链接 -lc (C标准库) 时，会去 /opt/arm-sysroot/usr/lib 查找 libc.so 和 libc.a。

这大大简化了编译命令,尤其是在构建大型项目时。

完整示例

场景：在 Ubuntu (x86_64) 上，为 ARMv7 硬浮点设备编译 hello.c，并链接一个假设的 libexample.so 库。

1. 安装工具链：

   sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf

2. 创建源代码和库：

   • hello.c:

     #include <stdio.h>
     #include "example.h" // 假设的头文件
     int main() {
         print_example_message();
         printf("Hello from host machine!\n");
         return 0;
     }

   • example.h:

     #ifndef EXAMPLE_H
     #define EXAMPLE_H
     void print_example_message();
     #endif

   • libexample.so (假设你已经有一个为 ARM 编译好的库，以及它的头文件)：

     • 目录结构：

       /path/to/mylib/
       ├── include/
       │   └── example.h
       └── lib/
           └── libexample.so  # 这是一个 ARM 架构的 .so 文件

3. 执行编译：

   arm-linux-gnueabihf-gcc \
       hello.c \
       -o hello_cross \
       -I /path/to/mylib/include \
       -L /path/to/mylib/lib \
       -lexample

4. 验证结果：

   # 查看文件类型
   file hello_cross
   # 输出: hello_cross: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), ...
   # 尝试在本地运行 (会失败)
   ./hello_cross
   # 输出: bash: ./hello_cross: cannot execute binary file: Exec format error

交叉编译是嵌入式开发和跨平台开发的核心技能,其关键在于：

1. 获取正确的工具链：确保工具链的目标架构与你的设备匹配。
2. 指定目标平台：通过 -march, -mcpu 等选项精确控制目标。
3. 提供依赖：通过 -I, -L 或 --sysroot 为编译器提供目标平台的头文件和库。
4. 验证：使用 file, readelf, objdump 等工具检查生成的文件是否符合预期。

掌握了这些,你就可以为几乎任何架构的设备编译软件了。