C语言编译过程（自己用）

曾经终败给现在 2022-09-25 08:24 147阅读 0赞

## 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：

[?][Link 1][\[Copy to clipboard\]][Copy to clipboard] [ ][Copy to clipboard] C

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre style="white-space:pre-wrap; word-wrap:break-word">1
2
3
4
5
6
</pre> </td> 
   <td> 
    <div style="font-family:Consolas,'Courier New',Courier,mono,serif; width:942px; overflow:auto; padding-top:1px; margin:18px 0px; position:relative; background-color:rgb(231,229,220)"> 
     <div style="padding-left:45px"> 
      <div style="padding:3px 8px 10px 10px; font-size:9px; font-family:Verdana,Geneva,Arial,Helvetica,sans-serif; color:silver; border-left-width:3px; border-left-style:solid; border-left-color:rgb(153,153,153); background-color:rgb(248,248,248)"> 
       <strong>[c]</strong>&nbsp; 
       <a title="view plain" href="http://blog.csdn.net/hnzhangshilong/article/details/7347302#" style="color:rgb(160,160,160); text-decoration:none; border:none; padding:0px; margin:0px 10px 0px 0px; font-size:9px; display:inline-block; width:16px; height:16px; text-indent:-2000px; background-color:inherit" rel="nofollow">view plain</a> 
       <a title="copy" href="http://blog.csdn.net/hnzhangshilong/article/details/7347302#" style="color:rgb(160,160,160); text-decoration:none; border:none; padding:0px; margin:0px 10px 0px 0px; font-size:9px; display:inline-block; width:16px; height:16px; text-indent:-2000px; background-color:inherit" rel="nofollow">copy</a> 
       <div style="z-index:99; position:absolute; width:24px; height:12px; top:583px; left:401px"> 
       </div> 
       <div style="position:absolute; left:469px; top:630px; width:16px; height:16px; z-index:99"> 
       </div> 
      </div> 
     </div> 
     <ol style="margin:0px 0px 1px 45px; padding:0px; border:none; color:rgb(92,92,92); background-color:rgb(255,255,255)"> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:inherit; line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit"><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#339933"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;#include&nbsp;&lt;stdio.h&gt;&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:rgb(85,85,85); line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit">&lt;span&nbsp;style=<span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#993333"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:rgb(46,139,87); font-weight:bold; background-color:inherit">int</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&lt;/span&gt;&nbsp;main&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;(&lt;/span&gt;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;)&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:inherit; line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit">&lt;span&nbsp;style=<span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;{&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:rgb(85,85,85); line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&lt;a&nbsp;href=<span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#000066"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;printf&lt;/span&gt;&lt;/a&gt;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;(&lt;/span&gt;“Hello&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#339933"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;,&lt;/span&gt;&nbsp;world.\n”&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;)&lt;/span&gt;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#339933"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;;&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:inherit; line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&lt;span&nbsp;style=<span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#b1b100"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:blue; font-weight:bold; background-color:inherit">return</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&lt;/span&gt;&nbsp;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#0000dd"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;0&lt;/span&gt;&lt;span&nbsp;style=</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#339933"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;;&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
      <li style="margin:0px; padding:0px 3px 0px 10px!important; border-style:none none none solid; border-left-width:3px; border-left-color:rgb(153,153,153); list-style:decimal-leading-zero outside; color:rgb(85,85,85); line-height:18px; background-color:rgb(245,250,226)"> <span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:black; background-color:inherit">&lt;span&nbsp;style=<span style="margin:0px; padding:0px; border:none; color:red; background-color:inherit">"color:#009900"</span><span style="margin:0px; padding:0px; border:none; background-color:inherit">&gt;}&lt;/span&gt;&nbsp;&nbsp;</span></span></li> 
     </ol> 
    </div> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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]

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：

[?][Link 1][\[Copy to clipboard\]][Copy to clipboard] [ ][Copy to clipboard] ASSEMBLY

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <pre style="white-space:pre-wrap; word-wrap:break-word">1
2
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19
20
</pre> </td> 
   <td><pre style="white-space: pre-wrap; word-wrap: break-word;">    .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</pre></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**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][]][static linking 1]

static linking

[Link 1]: http://www.ericbess.com/ericblog/2008/03/03/wp-codebox/#examples
[Copy to clipboard]: http://smilejay.com/2012/01/c_compilation_stages/
[gcc compilation]: http://smilejay.com/wp-content/uploads/2012/01/gcc_compilation_stages.jpg
[gcc compilation 1]: http://smilejay.com/2012/01/c_compilation_stages/gcc_compilation_stages/
[static linking]: http://smilejay.com/wp-content/uploads/2012/01/linking.jpg
[static linking 1]: http://smilejay.com/2012/01/c_compilation_stages/linking/