C语言编译过程详解

分手后的思念是犯贱 2022-05-14 01:35 285阅读 0赞

**目录**

前言

示例

1.预处理(Preprocessing)

2.编译(Compilation)

3.汇编(Assemble)

4.链接(Linking)

结语

参考文献

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# 前言 #

C语言程序从源代码到二进制行程序都经历了那些过程？本文以Linux下C语言的编译过程为例，讲解C语言程序的编译过程。

编写hello world C程序：

// hello.c
    #include <stdio.h>
    int main(){
        printf("hello world!\n");
    }

编译过程只需：

$ gcc hello.c # 编译
    $ ./a.out # 执行
    hello world!

这个过程如此熟悉，以至于大家觉得编译事件很简单的事。事实真的如此吗？我们来细看一下C语言的编译过程到底是怎样的。

上述gcc命令其实依次执行了四步操作：1.预处理(Preprocessing), 2.编译(Compilation), 3.汇编(Assemble), 4.链接(Linking)。

![C\_complie][C_complie]

# 示例 #

为了下面步骤讲解的方便，我们需要一个稍微复杂一点的例子。假设我们自己定义了一个头文件`mymath.h`，实现一些自己的数学函数，并把具体实现放在`mymath.c`当中。然后写一个`test.c`程序使用这些函数。程序目录结构如下：

├── test.c
    └── inc
        ├── mymath.h
        └── mymath.c

程序代码如下：

// test.c
    #include <stdio.h>
    #include "mymath.h"// 自定义头文件
    int main(){
        int a = 2;
        int b = 3;
        int sum = add(a, b); 
        printf("a=%d, b=%d, a+b=%d\n", a, b, sum);
    }

头文件定义：

// mymath.h
    #ifndef MYMATH_H
    #define MYMATH_H
    int add(int a, int b);
    int sum(int a, int b);
    #endif

头文件实现：

// mymath.c
    int add(int a, int b){
        return a+b;
    }
    int sub(int a, int b){
        return a-b;
    }

# 1.预处理(Preprocessing) #

**预处理用于将所有的\#include头文件以及宏定义替换成其真正的内容**，预处理之后得到的仍然是文本文件，但文件体积会大很多。`gcc`的预处理是预处理器`cpp`来完成的，你可以通过如下命令对`test.c`进行预处理：

gcc -E -I./inc test.c -o test.i

或者直接调用`cpp`命令

$ cpp test.c -I./inc -o test.i

上述命令中`-E`是让编译器在预处理之后就退出，不进行后续编译过程；`-I`指定头文件目录，这里指定的是我们自定义的头文件目录；`-o`指定输出文件名。

经过预处理之后代码体积会大很多：

预处理之后的程序还是文本，可以用文本编辑器打开。

即：

1.将所有的\#define删除，并展开所有的宏定义；  
2.处理所有的预编译指令，例如：\#if,\#elif,\#else,\#endif;  
3.处理\#include预编译指令，将被包含的文件插入到预编译指令的位置；  
4.添加行号信息文件名信息，便于调试；  
5.删除所有的注释：// /\*\*/;  
6.保留所有的\#pragma编译指令，因为在编写程序的时候,我们经常要用到\#pragma指令来设定编译器的状态或者是指示编译器完成一些特定的动作。  
7.生成.i文件。

包括（1）去注释 （2）宏替换 （3）头文件展开 （4）条件编译

# 2.编译(Compilation) #

这里的编译不是指程序从源文件到二进制程序的全部过程，而是指**将经过预处理之后的程序转换成特定汇编代码(assembly code)的过程**。编译的指定如下：

$ gcc -S -I./inc test.c -o test.s

上述命令中`-S`让编译器在编译之后停止，不进行后续过程。编译过程完成后，将生成程序的汇编代码`test.s`，这也是文本文件，内容如下：

// test.c汇编之后的结果test.s
        .file   "test.c"
        .section    .rodata
    .LC0:
        .string "a=%d, b=%d, a+b=%d\n"
        .text
        .globl  main
        .type   main, @function
    main:
    .LFB0:
        .cfi_startproc
        pushl   %ebp
        .cfi_def_cfa_offset 8
        .cfi_offset 5, -8
        movl    %esp, %ebp
        .cfi_def_cfa_register 5
        andl    $-16, %esp
        subl    $32, %esp
        movl    $2, 20(%esp)
        movl    $3, 24(%esp)
        movl    24(%esp), %eax
        movl    %eax, 4(%esp)
        movl    20(%esp), %eax
        movl    %eax, (%esp)
        call    add 
        movl    %eax, 28(%esp)
        movl    28(%esp), %eax
        movl    %eax, 12(%esp)
        movl    24(%esp), %eax
        movl    %eax, 8(%esp)
        movl    20(%esp), %eax
        movl    %eax, 4(%esp)
        movl    $.LC0, (%esp)
        call    printf
        leave
        .cfi_restore 5
        .cfi_def_cfa 4, 4
        ret 
        .cfi_endproc
    .LFE0:
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
        .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

请不要问我上述代码是什么意思!-\_-

即：

1.扫描，语法分析，语义分析，源代码优化，目标代码生成，目标代码优化；  
2.生成汇编代码；  
3.汇总符号；  
4.生成.s文件

# 3.汇编(Assemble) #

**汇编过程将上一步的汇编代码转换成机器码(machine code)**，这一步产生的文件叫做**目标文件**，是二进制格式。`gcc`汇编过程通过`as`命令完成：

$ as test.s -o test.o

等价于：

gcc -c test.s -o test.o

这一步会**为每一个源文件产生一个目标文件**。因此`mymath.c`也需要产生一个`mymath.o`文件

即

1.根据汇编指令和特定平台，把汇编指令翻译成二进制形式；  
2.合并各个section,合并符号表；  
3.生成.o文件

# 4.链接(Linking) #

**链接过程将多个目标文以及所需的库文件(.so等)链接成最终的可执行文件(executable file)**。

命令大致如下：

$ ld -o test.out test.o inc/mymath.o ...libraries...

即

1.合并各个.obj文件的section，合并符号表，进行符号解析；  
2.符号地址重定位；  
3.生成可执行文件

# 结语 #

经过以上分析，我们发现编译过程并不像想象的那么简单，而是要经过预处理、编译、汇编、链接。尽管我们平时使用`gcc`命令的时候没有关心中间结果，但每次程序的编译都少不了这几个步骤。也不用为上述繁琐过程而烦恼，因为你仍然可以：

$ gcc hello.c # 编译
    $ ./a.out # 执行

# 参考文献 #

1.https://www3.ntu.edu.sg/home/ehchua/programming/cpp/gcc\_make.html  
2.http://www.trilithium.com/johan/2005/08/linux-gate/  
3.https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gccint/Collect2.html

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