How to Cross Compile C Program for ARM

GCC 有 ARM 三种架构的交叉编译器，如表 1 所示。

参考：https://www.debian.org/ports/arm/index.en.html

在进行交叉编译前，需要先在 x86_64 Linux 中安装交叉编译器。

下面是 ARM 交叉编译器的安装方法（你可以根据自己的需要安装其中一个或多个）：

$ sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabi    # 安装目标运行平台为 armel（older arm32 processor）的交叉编译器
$ sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf  # 安装目标运行平台为 armhf（modern arm32 processor）的交叉编译器
$ sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu    # 安装目标运行平台为 arm64 的交叉编译器

安装完 gcc-arm-linux-gnueabi 后，会在目录 /usr/bin 中创建很多以 arm-linux-gnueabi- 开头的编译工具；在目录 /usr/arm-linux-gnueabi 中创建 armel 平台的头文件和动态库和静态库：

$ ls /usr/bin/arm-linux-gnueabi-*           # /usr/bin/ 中有很多以 arm-linux-gnueabi- 开头的编译工具
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-addr2line  /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-nm         /usr/bin/arm-linux-gnueabi-ld.bfd
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-ar         /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-nm-11      /usr/bin/arm-linux-gnueabi-ld.gold
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-as         /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-ranlib     /usr/bin/arm-linux-gnueabi-lto-dump-11
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-c++filt    /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-ranlib-11  /usr/bin/arm-linux-gnueabi-nm
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-cpp        /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov           /usr/bin/arm-linux-gnueabi-objcopy
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-cpp-11     /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov-11        /usr/bin/arm-linux-gnueabi-objdump
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-dwp        /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov-dump      /usr/bin/arm-linux-gnueabi-ranlib
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-elfedit    /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov-dump-11   /usr/bin/arm-linux-gnueabi-readelf
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc        /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov-tool      /usr/bin/arm-linux-gnueabi-size
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-11     /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcov-tool-11   /usr/bin/arm-linux-gnueabi-strings
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-ar     /usr/bin/arm-linux-gnueabi-gprof          /usr/bin/arm-linux-gnueabi-strip
/usr/bin/arm-linux-gnueabi-gcc-ar-11  /usr/bin/arm-linux-gnueabi-ld
$ ls /usr/arm-linux-gnueabi/                # armel 平台的头文件和动态库和静态库
bin  include  lib

类似地，安装完 gcc-arm-linux-gnueabihf 后，会在目录 /usr/bin 中会创建很多以 arm-linux-gnueabihf- 开头的编译工具；在目录 /usr/arm-linux-gnueabihf 中会创建 armhf 平台的头文件和动态库和静态库：

$ ls /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-*         # /usr/bin/ 中有很多以 arm-linux-gnueabihf- 开头的编译工具
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-addr2line  /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-nm         /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-ld.bfd
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-ar         /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-nm-11      /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-ld.gold
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-as         /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-ranlib     /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-lto-dump-11
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-c++filt    /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-ranlib-11  /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-nm
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-cpp        /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov           /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-objcopy
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-cpp-11     /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov-11        /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-objdump
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-dwp        /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov-dump      /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-ranlib
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-elfedit    /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov-dump-11   /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-readelf
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc        /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov-tool      /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-size
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-11     /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcov-tool-11   /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-strings
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-ar     /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gprof          /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-strip
/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc-ar-11  /usr/bin/arm-linux-gnueabihf-ld
$ ls /usr/arm-linux-gnueabihf/              # armhf 平台的头文件和动态库和静态库
bin  include  lib

同样地，安装完 gcc-aarch64-linux-gnu 后，会在目录 /usr/bin 中会创建很多以 aarch64-linux-gnu- 开头的编译工具；在目录 /usr/aarch64-linux-gnu 中会创建 arm64 平台的头文件和动态库和静态库：

$ ls /usr/bin/aarch64-linux-gnu-*           # /usr/bin/ 中有很多以 aarch64-linux-gnu- 开头的编译工具
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-addr2line  /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-nm         /usr/bin/aarch64-linux-gnu-ld.bfd
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-ar         /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-nm-11      /usr/bin/aarch64-linux-gnu-ld.gold
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-as         /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-ranlib     /usr/bin/aarch64-linux-gnu-lto-dump-11
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-c++filt    /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-ranlib-11  /usr/bin/aarch64-linux-gnu-nm
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-cpp        /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov           /usr/bin/aarch64-linux-gnu-objcopy
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-cpp-11     /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov-11        /usr/bin/aarch64-linux-gnu-objdump
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-dwp        /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov-dump      /usr/bin/aarch64-linux-gnu-ranlib
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-elfedit    /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov-dump-11   /usr/bin/aarch64-linux-gnu-readelf
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc        /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov-tool      /usr/bin/aarch64-linux-gnu-size
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-11     /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcov-tool-11   /usr/bin/aarch64-linux-gnu-strings
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-ar     /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gprof          /usr/bin/aarch64-linux-gnu-strip
/usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-ar-11  /usr/bin/aarch64-linux-gnu-ld
$ ls /usr/aarch64-linux-gnu/                # aarch64 平台（arm64）的头文件和动态库和静态库
bin  include  lib

假设有下面 C 程序：

#include <stdio.h>

int main() {
   printf("Hello, World!");
   return 0;
}

编译程序：

$ gcc hello.c -o hello                             # 这不是交叉编译，目标程序只能在当前平台（x86_64）运行
$ arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o hello.armel     # 交叉编译，目标程序可在 armel 平台运行
$ arm-linux-gnueabihf-gcc hello.c -o hello.armhf   # 交叉编译，目标程序可在 armhf 平台运行
$ aarch64-linux-gnu-gcc hello.c -o hello.aarch64   # 交叉编译，目标程序可在 arm64 平台运行

假设有下面使用了 OpenSSL 的 C 程序：

#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>

int digest_message(const unsigned char *message, size_t message_len, const char *digest_name,
                   unsigned char *digest, unsigned int *digest_len)
{
    EVP_MD_CTX *mdctx;
    const EVP_MD *md;

    if ((mdctx = EVP_MD_CTX_new()) == NULL) {
        return -1;
    }

    if ((md = EVP_get_digestbyname(digest_name)) == NULL) {
        return -1;
    }

    EVP_DigestInit_ex(mdctx, md, NULL);
    EVP_DigestUpdate(mdctx, message, message_len);
    EVP_DigestFinal_ex(mdctx, digest, digest_len);

    EVP_MD_CTX_free(mdctx);
    return 0;
}

void dumphex(const unsigned char *src, size_t len)
{
    size_t i;
    for (i = 0; i < len; i++) {
        fprintf(stderr, "%02x", src[i]);
    }
    printf("\n");
}

int main() {
    unsigned char input[3] = {'a', 'b', 'c'};
    unsigned char hash_outbuf[EVP_MAX_MD_SIZE];
    unsigned int hash_len;

    digest_message(input, 3, "md5", hash_outbuf, &hash_len);
    fprintf(stderr, "md5(abc):\t");
    dumphex(hash_outbuf, hash_len); // 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72

    fprintf(stderr, "sha256(abc):\t");
    digest_message(input, 3, "sha256", hash_outbuf, &hash_len);
    dumphex(hash_outbuf, hash_len); // ba7816bf8f01cfea414140de5dae2223b00361a396177a9cb410ff61f20015ad
    return 0;
}

如果当前系统（x86_64 Linux）中安装了 OpenSSL 开发库（sudo apt install libssl-dev），这时我们能编译出能在当前平台（x86_64）运行的可执行程序；但还不能进行交叉编译，会报错：

$ gcc openssl_example.c -lcrypto -o openssl_example                            # 这不是交叉编译，目标程序只能在当前平台（x86_64）运行

$ arm-linux-gnueabi-gcc openssl_example.c -lcrypto -o openssl_example.armel    # 交叉编译会失败，因为 /usr/arm-linux-gnueabi 中没有 OpenSSL 相关头文件和库文件
In file included from /usr/include/openssl/evp.h:14,
                 from openssl_example.c:2:
/usr/include/openssl/macros.h:14:10: fatal error: openssl/opensslconf.h: No such file or directory
   14 | #include <openssl/opensslconf.h>
      |          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated

$ arm-linux-gnueabihf-gcc openssl_example.c -lcrypto -o openssl_example.armhf  # 交叉编译会失败，因为 /usr/arm-linux-gnueabihf 中没有 OpenSSL 相关头文件和库文件
In file included from /usr/include/openssl/evp.h:14,
                 from openssl_example.c:2:
/usr/include/openssl/macros.h:14:10: fatal error: openssl/opensslconf.h: No such file or directory
   14 | #include <openssl/opensslconf.h>
      |          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated

$ aarch64-linux-gnu-gcc openssl_example.c -lcrypto -o openssl_example.aarch64  # 交叉编译会失败，因为 /usr/aarch64-linux-gnu 中没有 OpenSSL 相关头文件和库文件
In file included from /usr/include/openssl/evp.h:14,
                 from openssl_example.c:2:
/usr/include/openssl/macros.h:14:10: fatal error: openssl/opensslconf.h: No such file or directory
   14 | #include <openssl/opensslconf.h>
      |          ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
compilation terminated

这是因为对于交叉编译器 arm-linux-gnueabi-gcc（或 arm-linux-gnueabihf-gcc 或 aarch64-linux-gnu-gcc）来说，它们读取头文件和库文件的目录是 /usr/arm-linux-gnueabi（或 /usr/arm-linux-gnueabihf 或 /usr/aarch64-linux-gnu）。我们需要把 OpenSSL 的头文件和库文件安装到这些目录中。

假设有下面使用了 GMP 的 C 程序：

#include <stdio.h>
#include <gmp.h>
#include <assert.h>

int main(){

  char inputStr[1024];
  /*
     mpz_t is the type defined for GMP integers.
     It is a pointer to the internals of the GMP integer data structure
   */
  mpz_t n;
  int flag;

  printf ("Enter your number: ");
  scanf("%1023s" , inputStr); /* NOTE: never every write a call scanf ("%s", inputStr);
                                  You are leaving a security hole in your code. */

  /* 1. Initialize the number */
  mpz_init(n);
  mpz_set_ui(n,0);

  /* 2. Parse the input string as a base 10 number */
  flag = mpz_set_str(n,inputStr, 10);
  assert (flag == 0); /* If flag is not 0 then the operation failed */

  /* Print n */
  printf ("n = ");
  mpz_out_str(stdout,10,n);
  printf ("\n");

  /* 3. Add one to the number */

  mpz_add_ui(n,n,1); /* n = n + 1 */

  /* 4. Print the result */

  printf (" n +1 = ");
  mpz_out_str(stdout,10,n);
  printf ("\n");


  /* 5. Square n+1 */

  mpz_mul(n,n,n); /* n = n * n */


  printf (" (n +1)^2 = ");
  mpz_out_str(stdout,10,n);
  printf ("\n");


  /* 6. Clean up the mpz_t handles or else we will leak memory */
  mpz_clear(n);

}

如果当前系统（x86_64 Linux）中安装了 GMP 开发库（sudo apt install libgmp-dev），这时我们能编译出能在当前平台（x86_64）运行的可执行程序；但还不能进行交叉编译，会报错：

$ gcc gmp_example.c -lgmp -o gmp_example                            # 这不是交叉编译，目标程序只能在当前平台（x86_64）运行

$ arm-linux-gnueabi-gcc gmp_example.c -lgmp -o gmp_example.armel    # 交叉编译会失败，因为 /usr/arm-linux-gnueabi 中没有 GMP 相关头文件和库文件
gmp_example.c:2:10: fatal error: gmp.h: No such file or directory
    2 | #include <gmp.h>
      |          ^~~~~~~
compilation terminated.

$ arm-linux-gnueabihf-gcc gmp_example.c -lgmp -o gmp_example.armhf  # 交叉编译会失败，因为 /usr/arm-linux-gnueabihf 中没有 GMP 相关头文件和库文件
gmp_example.c:2:10: fatal error: gmp.h: No such file or directory
    2 | #include <gmp.h>
      |          ^~~~~~~
compilation terminated.

$ aarch64-linux-gnu-gcc gmp_example.c -lgmp -o gmp_example.aarch64  # 交叉编译会失败，因为 /usr/aarch64-linux-gnu 中没有 GMP 相关头文件和库文件
gmp_example.c:2:10: fatal error: gmp.h: No such file or directory
    2 | #include <gmp.h>
      |          ^~~~~~~
compilation terminated.

这是因为对于交叉编译器 arm-linux-gnueabi-gcc（或 arm-linux-gnueabihf-gcc 或 aarch64-linux-gnu-gcc）来说，它们读取头文件和库文件的目录是 /usr/arm-linux-gnueabi（或 /usr/arm-linux-gnueabihf 或 /usr/aarch64-linux-gnu）。我们需要把 GMP 的头文件和库文件安装到这些目录中。

假定 Android NDK 已经完成安装，下面介绍如何在 MacOS 中编译 Android ARM64 平台的 OpenSSL 库。

$ cd $HOME/test/
$ curl -LO https://github.com/openssl/openssl/releases/download/openssl-3.2.0/openssl-3.2.0.tar.gz
$ tar -xzf openssl-3.2.0.tar.gz
$ cd openssl-3.2.0
$
$ export ANDROID_NDK_ROOT=$HOME/Library/Android/sdk/ndk/26.1.10909125
$ export PATH=$ANDROID_NDK_ROOT/toolchains/llvm/prebuilt/darwin-x86_64/bin:$PATH
$ ./Configure  android-arm64  -D__ANDROID_API__=29  --prefix=$HOME/test/openssl-3.2.0/output
$ make
$ make install

成功执行上面命令后，编译出来的 OpenSSL 库文件（包含静态库和动态库）会保存到 --prefix 参数所指定的目录中。

注意，在编译 Android 平台 OpenSSL 库时不需要设置参数 --cross-compile-prefix ，脚本会根据其它参数自动判断，参考：https://github.com/openssl/openssl/blob/openssl-3.2.0/NOTES-ANDROID.md