C语言编译过程详解

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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:

  1. // hello.c
  2. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4.     printf("hello world!\n");
  5. }

编译过程只需:

  1. $ gcc hello.c # 编译
  2. $ ./a.out # 执行
  3. 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语言编译过程详解

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:

  1. ├── test.c
  2. └── inc
  3.     ├── mymath.h
  4.     └── mymath.c

程序代码如下:

  1. // test.c
  2. #include <stdio.h>
  3. #include "mymath.h"// 自定义头文件
  4. int main(){
  5.     int a = 2;
  6.     int b = 3;
  7.     int sum = add(a, b);
  8.     printf("a=%d, b=%d, a+b=%d\n", a, b, sum);
  9. }

头文件定义:

  1. // mymath.h
  2. #ifndef MYMATH_H
  3. #define MYMATH_H
  4. int add(int a, int b);
  5. int sum(int a, int b);
  6. #endif

头文件实现:

  1. // mymath.c
  2. int add(int a, int b){
  3.     return a+b;
  4. }
  5. int sub(int a, int b){
  6.     return a-b;
  7. }

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:

  1. gcc -E -I./inc test.c -o test.i

或者直接调用cpp命令

  1. $ 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:

X 文件名 文件大小 代码行数
预处理前 test.c 146B 9
预处理后 test.i 17691B 857

预处理之后的程序还是文本,可以用文本编辑器打开。

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:

  1. $ 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:

  1. // test.c汇编之后的结果test.s
  2.     .file   "test.c"
  3.     .section    .rodata
  4. .LC0:
  5.     .string "a=%d, b=%d, a+b=%d\n"
  6.     .text
  7.     .globl  main
  8.     .type   main, @function
  9. main:
  10. .LFB0:
  11.     .cfi_startproc
  12.     pushl   %ebp
  13.     .cfi_def_cfa_offset 8
  14.     .cfi_offset 5, -8
  15.     movl    %esp, %ebp
  16.     .cfi_def_cfa_register 5
  17.     andl    $-16, %esp
  18.     subl    $32, %esp
  19.     movl    $2, 20(%esp)
  20.     movl    $3, 24(%esp)
  21.     movl    24(%esp), %eax
  22.     movl    %eax, 4(%esp)
  23.     movl    20(%esp), %eax
  24.     movl    %eax, (%esp)
  25.     call    add
  26.     movl    %eax, 28(%esp)
  27.     movl    28(%esp), %eax
  28.     movl    %eax, 12(%esp)
  29.     movl    24(%esp), %eax
  30.     movl    %eax, 8(%esp)
  31.     movl    20(%esp), %eax
  32.     movl    %eax, 4(%esp)
  33.     movl    $.LC0, (%esp)
  34.     call    printf
  35.     leave
  36.     .cfi_restore 5
  37.     .cfi_def_cfa 4, 4
  38.     ret
  39.     .cfi_endproc
  40. .LFE0:
  41.     .size   main, .-main
  42.     .ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
  43.     .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

请不要问我上述代码是什么意思!-_-

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:

  1. as test.s -o test.o

等价于:

  1. 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

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:

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

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:

  1. $ gcc hello.c # 编译
  2. $ ./a.out # 执行

 

weinxin
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开拓者博主
  • 本文由 发表于 2016年10月25日08:18:25
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