c：再说c语言编译过程

环境：

• centos7.6
• gcc 4.8.5

1. 从一个test.c到test.out

这里实验的环境是 linux，linux的可执行文件默认后缀名是.out。

先看下面代码：

test.c

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    
    printf("ok\n");
    return 0;
}

我们，首先使用gcc test.c --save-temps -o test.out将它编译为test.out，并保留痕迹，如下：

--save-temps 命令可以保留整个编译的过程痕迹。

根据上面的痕迹，我们直接上图解释其过程：

第一步：预处理

预处理器先对test.c进行预处理，就是将里面#include...、#ifdef...等内容处理掉，处理完后，里面将不再有#include...等内容，最后生成test.i。关于预处理的内容，可参考《c：预处理指令（#include、#define、#if等）》。
总之，生成的文件内容，大概如下：

第二步：编译

在这一步，gcc就将test.i进行词法分析，优化，最终转成汇编文件test.s，注意，test.s仍然是文本，大概如下图：

第三步：汇编

在这一步，汇编器就将test.s翻译成了二进制格式的指令，输出为test.o，它是ELF格式的二进制文件（后面说ELF文件格式）。
test.o又称为可冲定位文件，我们通过file可观察到：

第四步：链接

在这一步，链接器就将test.o文件与其引用资源做链接，主要是与其他引用的资源进行整合，重新分配内存地址，最终生成test.out，使用file观察到：

2. GCC是一个编译驱动器

在上面4个步骤中，我们分别提到：预处理器、编译器、汇编器、链接器，这四个有对应专门的程序，如：

• 预处理器：/usr/bin/cpp
• 编译器：/usr/bin/cc或/usr/bin/c++（可能是这两个）
• 汇编器：/usr/bin/as
• 链接器：/usr/bin/ld

如果我们是window环境，看的就更清楚了：

既然，gcc是编译驱动器，那么脱离gcc命令，我们自然也能一步步编译，比如：
cpp test.c test.i ：进行预处理
as test.s -o test.o：进行汇编

为什么没有列举其他两个过程？因为实验的时候遇到各种错误，放弃了。。。

现在，我们知道了编译的四个过程，那么我们能控制在哪一步停下来吗？
当然了，我们还是回归gcc命令：

• 只进行预处理 test.c => test.i
gcc -E test.c -o test.i
• 预处理并编译 test.c => test.s
gcc -S test.c -o test.s
• 预处理、编译并汇编 test.c => test.o
gcc -c test.c -o test.o
• 整个流程，输出可执行文件 test.c => test.out
gcc test.c -o test.out

3. 关于ELF文件

上面我们提到 test.o 和 test.out 都是ELF 格式的二进制文件。那么什么是ELF文件呢？

直接看百度百科的介绍：

也就是说我们关心的 ELF可以表示4类文件：

• 目标代码：test.o
• 可执行文件：test.out
• 动态库：test.so
• 核心转储文件（用的较少，一般是辅助调试的）

那么ELF内部的格式是怎样的呢？

还是看百度百科：

再往深处，我们就不研究了，知道个大概就行。

4. 说说链接

对上面的4个过程，我们疑问最大的应该是 链接，不知道为什么需要链接。。。

链接其实有两个目的：

• 1. 布局
     假设，我们有两个文件test.c和libadd.c并且test.c调用了libadd.c的函数，那么，编译时，编译器先分别生成test.o和libadd.o目标文件。因为它们是分别编译，所以test.o和libadd.o里面汇编指令涉及到的地址都认为是从0开始，即，它们之间互不认识。
     而链接器的布局就是要把它们的地址空间合起来，防止重叠。
• 2. 重定位
     还是假设上面的两个文件 test.c和libadd.c。我们知道 test.c调用函数的时候只是调用了int add(int x,int y) 这个声明而已，至于这个函数的具体实现在哪？test.o里面是没有的，所以test.o里面涉及到调用的地方是callq 0x0000，即：不知道这个函数的地址，就先填充0。
     所以，链接器就要去帮test.o去找这个函数的实现，而libadd.o里恰好有这个函数的声明，那么就把libadd.o里的地址给test.o好了。

这是链接器的两大目的，上面我简化着说，实际很复杂。

这里举的例子属于静态链接，另外还有动态链接(比如我们调用printf等标准函数就是)，动态链接里面存的是库装载器的地址。

5. 动态库和静态库

上面我们在链接时也提到了静态链接和动态链接。所谓静态链接就是将引用的库也一并拷贝过来，而动态链接就不需要拷贝。所以，动态链接比静态链接应用的多很多。

那明白了动态链接和静态链接后，我们就应该知道动态库和静态库了吧。
现在我们就来实验下：

5.1 生成静态库

所谓的静态库就是将编译好的目标代码（如：libadd.o、libsub.o）打成一个压缩包而已，一般后缀名是*.a。

首先，准备三个文件：

test.c

#include <stdio.h>

int add(int x,int y);
int sub(int x,int y);

int main()
{
    
    
    int x=20,y=10;
    printf("x+y=%d\n",add(x,y));
    printf("x-y=%d\n",sub(x,y));
    printf("ok\n");
    return 0;
}

libadd.c

int add(int x,int y)
{
    
    
    return x+y;
}

libsub.c

int sub(int x,int y)
{
    
    
    return x-y;
}

现在，我们分别编译它们：

现在，让我们把 libadd.o 和 libsub.o做成静态库：

ar rcs ... 中，r表示replace，c表示create

5.2 调用静态库编译

接上面，我们将test.o和libaddsub.a生成 test.out：

5.3 使用动态库

注意：动态库是一个ELF格式的二进制文件，不是压缩包，后缀名是*.so

上面，我们是将libadd.c和libsub.c生成了静态库，现在我们让它们分别生成动态库：

# 生成 libadd.so
gcc -shared libadd.c -o libadd.so
# 生成 libsub.so
gcc -shared libsub.c -o libsub.so

现在，让我们使用动态库编译可执行文件：

# 生成 test.out
gcc test.c libadd.so libsub.so -o test.out

但当我们执行test.out时，却大失所望：

为什么会这样呢？当前目录下不是有libadd.so 吗?

这就要说linux加载动态库的原理了：

linux会根据配置从指定路径下找动态库，而不是当前目录，那么这个配置在哪呢？
在 /etc/ld.so.conf：

可以看到，这个文件里指定了从 etc/ld.so.conf.d/*里面找

可以看到，最终只在 /usr/lib64/mysql下找（注意：还有默认的 /lib64等没有列出）。

那么，当前已经找到多少动态库呢？
可以通过 ldconfig -p查看：

另外：/etc/ld.so.cache文件是动态库的缓存，运行 ldconfig命令可以强制更新/etc/ld.so.cache文件。

现在，我们知道了，要么我们把libadd.so和libsub.so放到/lib64等系统目录下，要么将libadd.so所在的目录配置到/ect/ld.so.conf.d目录下。这的确是一个解决方法。

但，我们还有另外一个解决办法，那就是使用LD_LIBRARY_PATH环境变量，如下：

然后，我们可以把这个环境变量的配置放到 /etc/profile里面。

如果，我们不想在系统上留下什么痕迹，那么我们可以写一个脚本，内容如下：

current_dir=$(cd $(dirname $0); pwd)
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:current_dir
./test.out

效果如下：

6. 对c语言编译的一些理解

其实根据上面的编译过程，我们应该认识到，c语言编译整体分成两大步骤：

• 所有单个c文件分别编译成目标代码*.o；
• 将多个*.o、静态库或动态库链接成可执行文件test.out

所以，c语言编译的时候是，先单个编译，然后再整合资源。
所以，c语言中的单个c文件中可以没有某个api函数的实现，但如果要调用，就必须在调用前头先声明一下（全局变量也是一个意思）。

7. gcc常用编译选项

除了上面的编译命令，我们常用的还有
gcc -Og test.c -o test.out

这里的 -g是生成调试用的信息（如果我们想调试的话，比如使用gdb调试）；
-O是优化选项。

8. 补充gcc附带的其他命令

8.1 objdump

8.1.1 显示libaddsub.a内信息

8.1.2 显示libadd.o的反汇编信息

8.1.3 显示符号表信息

关于objdump更多，参考：obdump -v 或 man objdump

8.2 readelf

上面，我们说 test.o、test.so、test.out 都是ELF格式的二进制文件，现在我们就用readelf去看看：

8.2.1 显示elf的文件头信息

8.2.2 显示程序头表信息