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文章目录
《C 语言编程 — GCC 工具链》
《C 语言编程 — 程序的编译流程》
《C 语言编程 — 静态库、动态库和共享库》
《C 语言编程 — 程序的装载与运行》
《计算机组成原理 — 指令系统》
《C 语言编程 — 结构化程序流的汇编代码与 CPU 指令集》
C 程序的编译流程
虽然我们称 GCC 是 C 语言的编译器，但由 C 语言源代码文件到生成可执行文件的过程不仅仅是编译的过程，而是要经历以下四个相互关联的步骤：
- 预处理（Preprocessing）
- 编译（Compilation）
- 汇编（Assembly）
- 链接（Linking）
示例代码：
#include<stdio.h>
int main(void)
{
printf("Hello World!\n");
return 0;
}
预处理
预处理（Preprocessing）：GCC 首先调用预处理程序 cpp 进行预处理，在预处理过程中，.c 文件中的文件包含（include）、预处理语句（e.g. 宏定义 define 等）进行分析，并替换成为真正的内容。
- 执行所有的预处理器指令，并且展开所有的宏定义。
- 删除所有注释。
- 添加行号和文件标识，以便编译时产生调试用的行号及编译错误警告行号。
- 保留所有的
#pragma预处理器指令，后续编译过程需要使用它们。
gcc -E -I . hello.c -o hello.i
- -E 是让编译器在预处理之后就退出
- -I 指定头文件目录
- -o 指定输出文件名
下面可以看到预处理后，代码从 7 行扩展到了 845 行。.i 文件里面包含了所有 include 和宏定义的真正内容。
extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 942 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 2 "hello.c" 2
# 3 "hello.c"
int
main(void)
{
printf("Hello World!" "\n");
return 0;
}
编译
编译过程就是对预处理完的文件进行一系列的词法分析，语法分析，语义分析及优化后生成相应的汇编代码。
gcc -S -I . hello.i -o hello.s
- -S 让编译器在编译之后停止
下面可以看到编译后的汇编代码：
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
movl $.LC0, %edi
call puts
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
汇编
汇编过程对汇编代码进行处理，生成处理器能识别的指令，保存在后缀为 .o 的目标文件中。由于每一个汇编语句几乎都对应一条处理器指令，因此，汇编过程相对于编译过程比较简单。通过调用 Binutils 工具中的汇编器 as 根据汇编指令和处理器指令的对照表一一翻译即可。一般来讲，.S 文件和 .s 文件经过预处理和汇编之后都会生成以 .o 的目标文件。
当程序由多个源代码文件构成时，每个文件都要先完成汇编工作，生成 .o 目标文件后，才能进入下一步的链接工作。
注意：目标文件已经是最终程序的某一部分了，但是在链接之前还不能执行。
注意：hello.o 目标文件为 ELF（Executable and Linkable Format）格式的可重定向文件。
$ gcc -c hello.s -o hello.o
# or
$ as hello.s -o hello.o
$ file main.o
main.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped
链接
链接也分为静态链接和动态链接：
-
静态链接：是指在编译阶段直接把静态库加入到可执行文件中去，这样可执行文件会比较大。链接器将函数的代码从其所在地（不同的目标文件或静态链接库中）拷贝到最终的可执行程序中。为创建可执行文件，链接器必须要完成的主要任务是：符号解析（把目标文件中符号的定义和引用联系起来）和重定位（把符号定义和内存地址对应起来然后修改所有对符号的引用）。
-
动态链接：则是指链接阶段仅仅只加入一些描述信息，而程序执行时再从系统中把相应动态库加载到内存中去。
-
动态链接：用动态库进行链接。
gcc hello.c -o hello
- 静态链接：用静态库进行链接。
gcc -static hello.c -o hello
可以使用 Binutils 的 size 命令查看生成的 ELF 可执行文件的大小，可以使用 Binutils 的 ldd 命令查看链接的动态库。
链接后生成的最终文件为 ELF 格式可执行文件，一个 ELF 可执行文件通常被链接为不同的段，常见的段譬如 .text、.data、.rodata、.bss 等。
编译多个源文件
- main.c
#include "hello.h"
int main(void)
{
print("hello world");
return 0;
}
- hello.c
#include "hello.h"
void print(const char *str)
{
printf("%s\n", str);
}
- hello.h
#ifndef _HELLO_H
#define _HELLO_H
#include <stdio.h>
void print(const char *str);
#endif
一次性编译：
$ gcc -Wall hello.c main.c -o main
$ ./main
独立编译：
$ gcc -Wall -c main.c -o main.o
$ gcc -Wall -c hello.c -o hello.o
$ gcc -Wall hello.o main.o -o newmain
$ ./newmain