gcc/g++等编译器编译原理：预处理，编译，汇编，链接各步骤详解

摘自http://blog.csdn.net/elfprincexu/article/details/45043971

gcc/g++等编译器编译原理：预处理，编译，汇编，链接各步骤详解

C和C++编译器是集成的，编译一般分为四个步骤：

预处理(preprocessing) ----------------- cpp/ gcc -E
编译(compilation) ------------------ cc1 / gcc -S
汇编(assembly) -------------------- as
连接(linking) --------------------- ld

gcc

　　认为预处理的文件是(.i)是C文件，并且设定C形式的连接；

g++

　　认为预处理的文件是(.i)是C++文件，并且设定C++形式的连接；

源文件后缀名的一些含义和后续的操作：

.c　　　　　　 C源程序　　　　　　　　预处理，编译，汇编
.C　　　　　　C++源程序　　　　　　预处理，编译，汇编
.cc　　　　　 C++源程序　　
.cxx 　　　　 C++源程序　　　　　　预处理，编译，汇编
.m 　　　　　 Objective-C源程序　　　预处理，编译，汇编
.i 　　　　　　预处理后的C文件　　　　编译，汇编
.ii　　　　　　预处理后的C++文件　　　编译，汇编
.s　　　　　　汇编语言源程序　　　　　汇编
.S　　　　　　汇编语言源程序　　　　　预处理，汇编
.h　　　　　　预处理器文件　　　　　　通常不出现在命令行上

其他后缀名的文件被传递给连接器(linker).通常包括:

　　.o 目标文件(Object file)

　　.a 归档库文件(Archive file)

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二、具体介绍一下GCC编译步骤

首先，有以下hello.c源代码

#include<stdio.h>
int main()
{
printf("Hello! This is our embedded world!\n");
return 0;
}

（1）预处理阶段

在该阶段，编译器将上述代码中的stdio.h编译进来，并且用户可以使用Gcc的选项”-E”进行查看，该选项的作用是让Gcc在预处理结束后停止编译过程。预处理阶段主要处理#include和#define，它把#include包含进来的.h 文件插入到#include所在的位置，把源程序中使用到的用#define定义的宏用实际的字符串代替，我们可以用-E选项要求gcc只进行预处理而不进行后面的三个阶段，

注意： Gcc指令的一般格式为：Gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]

其中，目标文件可缺省，Gcc默认生成可执行的文件，命为：编译文件.out

[root@localhost Gcc]# Gcc –E hello.c –o hello.i

在此处，选项"-o"是指目标文件，".i"文件为已经过预处理的C原始程序。以下列出了hello.i文件的部分内容：

typedef int (*__gconv_trans_fct) (struct __gconv_step *,
struct __gconv_step_data *, void *,
__const unsigned char *,
__const unsigned char **,
__const unsigned char *, unsigned char **,
size_t *);
…
# 2 "hello.c" 2
int main()
{
printf("Hello! This is our embedded world!\n");
return 0;
}

由此可见，Gcc确实进行了预处理，它把”stdio.h”的内容插入到hello.i文件中。

（2）编译阶段

接下来进行的是编译阶段，在这个阶段中，Gcc首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，Gcc把代码翻译成汇编语言。用户可以使用”-S”选项来进行查看，该选项只进行编译而不进行汇编，生成汇编代码。

编译阶段是最重要的阶段，在这个阶段GCC首先检查语法然后把由上步生成的*.i编译成*.s文件。我们可以用如下命令告诉gcc进行这一步处理，gcc -S hello.i -o hello.s，-S选项告诉gcc把hello.i编译成.s文件；

上面这两步的输出文件都是文本文件，我们可以用诸如cat的文本处理等命令阅读这些输出文件。

这个阶段可以接收.c和.i类型的文件

[root@localhost Gcc]# Gcc –S hello.i –o hello.s

以下列出了hello.s的内容，可见Gcc已经将其转化为汇编了，感兴趣的读者可以分析一下这一行简单的C语言小程序是如何用汇编代码实现的。

.file "hello.c"
.section .rodata
.align 4
.LC0:
.string "Hello! This is our embedded world!"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax
addl $15, %eax
addl $15, %eax
shrl $4, %eax
sall $4, %eax
subl %eax, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0
call puts
addl $16, %esp
movl $0, %eax
leave
ret
.size main, .-main
.ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

（3）汇编阶段

汇编阶段把*.s文件翻译成二进制机器指令文件*.o，如命令gcc -c hello.s -o hello.o，其中-c告诉gcc进行汇编处理。这步生成的文件是二进制文件，直接用文本工具打开看到的将是乱码，我们需要反汇编工具如GDB的帮助才能读懂它；

这个阶段接收.c, .i, .s的文件都没有问题。比如gcc -c hello.i -o hello.o等

汇编阶段是把编译阶段生成的”.s”文件转成目标文件，读者在此可使用选项”-c”就可看到汇编代码已转化为”.o”的二进制目标代码了。如下所示：

[root@localhost Gcc]# Gcc –c hello.s –o hello.o

（4）链接阶段

在成功编译之后，就进入了链接阶段。在这里涉及到一个重要的概念：函数库。

读者可以重新查看这个小程序，在这个程序中并没有定义”printf”的函数实现，且在预编译中包含进的”stdio.h”中也只有该函数的声明，而没有定义函数的实现，那么，是在哪里实现”printf”函数的呢？最后的答案是：系统把这些函数实现都被做到名为libc.so.6的库文件中去了，在没有特别指定时，Gcc会到系统默认的搜索路径”/usr/lib”下进行查找，也就是链接到libc.so.6库函数中去，这样就能实现函数”printf”了，而这也就是链接的作用。

函数库一般分为静态库和动态库两种。

静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为”.a”。
动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为”.so”，如前面所述的libc.so.6就是动态库。Gcc在编译时默认使用动态库。

说下生成静态库的方法：
ar cr libxxx.a file1.o file2.o
就是把file1.o和file2.o打包生成libxxx.a静态库
使用的时候
gcc test.c -L/path -lxxx -o test
动态库的话：
gcc -fPIC -shared file1.c -o libxxx.so
也可以分成两部来写：
gcc -fPIC file1.c -c //这一步生成file1.o
gcc -shared file1.o -o libtest.so

效果是一样的。

用的时候和上面的静态库的用法一样

但是到了运行程序的时候，需要指定动态库的位置，可以环境变量来指定

export LD_LIBRARY_PATH=path，否则会提示找不到动态库的位置

由于链接动态库和静态库的时候使用的方法是一样的，所以如果在库中有同名的静态库文件和动态库文件，比如libtest.a和libtest.so，根据gcc链接时默认优先选择动态库，会链接libtest.so，如果想要让gcc选择链接libtest.a那么需要指定一个选项，就是-static,这样就会强制gcc找静态库文件了。

静态库链接时搜索路径顺序：

1. ld会去找GCC命令中的参数-L
2. 再找gcc的环境变量LIBRARY_PATH
3. 再找内定目录 /lib /usr/lib /usr/local/lib 这是当初compile gcc时写在程序内的

动态链接时、执行时搜索路径顺序:

1. 编译目标代码时指定的动态库搜索路径
2. 环境变量LD_LIBRARY_PATH指定的动态库搜索路径
3. 配置文件/etc/ld.so.conf中指定的动态库搜索路径
4. 默认的动态库搜索路径/lib
5. 默认的动态库搜索路径/usr/lib

有关环境变量：

LIBRARY_PATH环境变量：指定程序静态链接库文件搜索路径
LD_LIBRARY_PATH环境变量：指定程序动态链接库文件搜索路径

完成了链接之后，Gcc就可以生成可执行文件，如下所示。

[root@localhost Gcc]# Gcc hello.o –o hello

运行该可执行文件，出现正确的结果如下。

[root@localhost Gcc]# ./hello

Hello! This is our embedded world!