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：

/* 何问起 hovertree.com */
 int main()
 { printf(“Hello, world.\n”); return ; }

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

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：ASSEMBLY

.file "hello.c"
.section .rodata
.LC0:
.string "Hello, world."
.text
.globl main
.type main, @function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
andl $-16, %esp
subl $16, %esp
movl $.LC0, (%esp)
call puts
movl $0, %eax
leave
ret
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

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。

而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

参考资料：

《程序员的自我修养——链接、装载与库》

推荐：http://www.cnblogs.com/roucheng/p/3454292.html