C/C++程序編譯運行過程

2021-02-15 C語言編程開發

簡單來說，整個過程分為四個階段：預處理（Pre-Processing）、編譯（Compilation）、彙編（Assembling）、連結（Linking）。


注意：其中源程序、修改了的源程序和彙編程序都是文本文件，而可重定位目標程序和可執行目標程序都是二進位文件。

似乎到這裡就該結束了，因為整個過程已經講完了?。當然如果只是這樣介紹的話本文就沒有存在的價值了，我們還得再深入一點分別講解這四個階段?。

預處理

首先我們準備一個簡單的Hello World程序，命名為main.c。

#include<stdio.h>

#defineinfo "Hello, world\n"intmain(){// A simple program.printf(info);return0;}

預處理階段做的事情就是預處理器（cpp）根據以字符#開頭的代碼修改原始的C程序。

比如#include <stdio.h>，將頭文件stdio.h中的內容加到程序文本中

比如#define info "Hello, world\n"，會將宏定義的info替換成字符串「Hello, world\n」（當然我這裡只是為了舉例，一般我們不這麼寫）

此外，會將注釋比如// A simple program.刪除

預處理是直接對源文件進行處理（不關注語法規則）， 然後得到另一個C程序，通常以.i作為文件擴展名。

我們可以在Linux系統（我這裡用的是Ubuntu）下直接使用gcc -E main.c -o main.i命令得到預處理後的C程序main.i。我截取了一部分（總共有800+行），可以很明顯的看到：引入了頭文件，info被替換了，注釋沒了，還添加了一些特殊的標記，告訴編譯器每行的來源，以便它可以使用它們來產生合理的錯誤消息。

#1"main.c"#1"<built-in>"#1"<command-line>"#31"<command-line>"#1"/usr/include/stdc-predef.h"134..externvoidfunlockfile(FILE*__stream)__attribute__((__nothrow__,__leaf__));#868"/usr/include/stdio.h"34#2"main.c"2#3"main.c"intmain(){printf("Hello, world\n");return0;}

編譯

編譯階段做的事情就是編譯器（cc1）將C程序main.i翻譯成彙編語言程序main.s。

檢查C程序的語法錯誤

將文件翻譯成中間代碼，即彙編語言

可選地優化翻譯後的中間代碼，獲得更好的性能

我們可以使用gcc -S main.i -o main.s得到翻譯後的彙編程序main.s，截取部分如下。

.file"main.c".text.LC0:.string"Hello, world".text.globl  mainmain:.LFB0:.cfi_startproc    pushq%rbp    movq%rsp,%rbp..LFE0:.size  main,.-main.ident"GCC: (Ubuntu 7.3.0-27ubuntu1~18.04) 7.3.0".section.note.GNU-stack,"",@progbits

其中的語句比如pushq %rbp描述了一條低級機器語言指令。彙編語言是有用的，它為不同高級語言的不同彙編器提供了通用的輸出語言，C彙編器和Fortran彙編器產生的輸出文件都是一樣的彙編語言。

彙編

彙編階段做的事情就是彙編器（as）將main.s翻譯成機器語言指令，把這些指令打包成一種叫做可重定位目標程序的格式，並將結果保存在目標文件main.o（Windows下為xx.obj而Linux下為xx.o）中。main.o是一個二進位文件，如果我們使用文本編輯器打開main.o，會看到一堆亂碼。

我們可以使用gcc -c main.s -o main.o得到可重定位目標程序main.o，如下所示。

LF>?@@UH䈍=距ello,worldGCC:(Ubuntu7.3.0-27ubuntu1~18.04)7.3.0zRx#main.cmain_GLOBAL_OFFSET_TABLE_puts?ÿÿ                      C ??ÿÿ.symtab.strtab.shstrtab.rela.text.data.bss.rodata.comment.note.GNU-stack.rela.eh_frame @0&90d+BWR@@

不出所料的一堆亂碼?。

連結

我們的main.c程序中使用了printf函數，printf函數是每個C編譯器都提供的標準C庫中的一個函數，它存在於一個名為printf.o的單獨預編譯好了的目標文件中。

連結階段做的事情就是連結器（ld）將需要用到的目標文件比如main.o和printf.o進行合併，並生成一個可執行（目標）文件，可以被加載到內存中，由系統執行。

實際上我們直接執行gcc main.c -o main命令得到的就是可執行文件，Windows下為.exe，Linux下默認為具有可執行權限的a.out，當然我們使用了-o來自定義輸出文件名。



以上就是整個編譯執行過程。

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