C程序编译过程浅析

前几天看了《程序员的自我修养——链接、装载与库》中的第二章“编译和链接”,主要根据其中的内容简单总结一下C程序编译的过程吧。

我现在一般都是用gcc,所以自然以GCC编译hellworld为例,简单总结如下。
hello.c源代码如下:

通常我们使用gcc来生成可执行程序,命令为:gcc hello.c,默认生成可执行文件a.out

其实编译(包括链接)的命令:gcc hello.c 可分解为如下4个大的步骤:

    • 预处理(Preprocessing)
    • 编译(Compilation)
    • 汇编(Assembly)
    • 链接(Linking)

gcc compilation

gcc compilation

1.       预处理(Preproceessing)

预处理的过程主要处理包括以下过程:

  • 将所有的#define删除,并且展开所有的宏定义
  • 处理所有的条件预编译指令,比如#if #ifdef #elif #else #endif等
  • 处理#include 预编译指令,将被包含的文件插入到该预编译指令的位置。
  • 删除所有注释 “//”和”/* */”.
  • 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编译器指令,因为编译器需要使用它们

通常使用以下命令来进行预处理:

gcc -E hello.c -o hello.i

参数-E表示只进行预处理 或者也可以使用以下指令完成预处理过程

cpp hello.c > hello.i      /*  cpp – The C Preprocessor  */

直接cat hello.i 你就可以看到预处理后的代码

2.       编译(Compilation)

编译过程就是把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 hello.i –o hello.s

或者

$ /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.4/cc1 hello.c

注:现在版本的GCC把预处理和编译两个步骤合成一个步骤,用cc1工具来完成。gcc其实是后台程序的一些包装,根据不同参数去调用其他的实际处理程序,比如:预编译编译程序cc1、汇编器as、连接器ld

可以看到编译后的汇编代码(hello.s)如下:

3.       汇编(Assembly)

汇编器是将汇编代码转变成机器可以执行的命令,每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令。汇编相对于编译过程比较简单,根据汇编指令和机器指令的对照表一一翻译即可。

$ gcc –c hello.c –o hello.o

或者

$ as hello.s –o hello.co

由于hello.o的内容为机器码,不能以普通文本形式的查看(vi 打开看到的是乱码)。

4.       链接(Linking)

通过调用链接器ld来链接程序运行需要的一大堆目标文件,以及所依赖的其它库文件,最后生成可执行文件。

ld -static crt1.o crti.o crtbeginT.o hello.o -start-group -lgcc -lgcc_eh -lc-end-group crtend.o crtn.o (省略了文件的路径名)。

helloworld的大体编译和链接过程就是这样了,那么编译器和链接器到底做了什么呢?

编译过程可分为6步:扫描(词法分析)、语法分析、语义分析、源代码优化、代码生成、目标代码优化。

词法分析:扫描器(Scanner)将源代的字符序列分割成一系列的记号(Token)。lex工具可实现词法扫描。

语法分析:语法分析器将记号(Token)产生语法树(Syntax Tree)。yacc工具可实现语法分析(yacc: Yet Another Compiler Compiler)。

语义分析:静态语义(在编译器可以确定的语义)、动态语义(只能在运行期才能确定的语义)。

源代码优化:源代码优化器(Source Code Optimizer),将整个语法书转化为中间代码(Intermediate Code)(中间代码是与目标机器和运行环境无关的)。中间代码使得编译器被分为前端和后端。编译器前端负责产生机器无关的中间代码;编译器后端将中间代码转化为目标机器代码。

目标代码生成:代码生成器(Code Generator).

目标代码优化:目标代码优化器(Target Code Optimizer)。

链接的主要内容是把各个模块之间相互引用的部分处理好,使得各个模块之间能够正确地衔接。

链接的主要过程包括:地址和空间分配(Address and Storage Allocation),符号决议(Symbol Resolution),重定位(Relocation)等。

链接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。

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。

静态链接的大致过程如下图所示:

static linking

static linking

参考资料:

《程序员的自我修养——链接、装载与库》

http://www.stackpop.org/blog/html/y2011/53_cpp_compile_linking.html

http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20196318&do=blog&id=28797

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