Linux上C語言程序編譯過程詳解

大家肯定都知道計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言通常分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三類。高級語言需要通過翻譯成機(jī)器語言才能執(zhí)行，而翻譯的方式分為兩種，一種是編譯型，另一種是解釋型，因此我們基本上將高級語言分為兩大類，一種是編譯型語言，例如C，C++，Java，另一種是解釋型語言，例如Python、Ruby、MATLAB 、JavaScript。

本文將介紹如何將高層的C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程，包括四個步驟：

預(yù)處理（Preprocessing）
編譯（Compilation）
匯編（Assembly）
鏈接（Linking）

GCC 工具鏈介紹

通常所說的GCC是GUN Compiler Collection的簡稱，是Linux系統(tǒng)上常用的編譯工具。GCC工具鏈軟件包括GCC、Binutils、C運(yùn)行庫等。

GCC

GCC（GNU C Compiler）是編譯工具。本文所要介紹的將C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程即由編譯器完成。

Binutils

一組二進(jìn)制程序處理工具，包括：addr2line、ar、objcopy、objdump、as、ld、ldd、readelf、size等。這一組工具是開發(fā)和調(diào)試不可缺少的工具，分別簡介如下：

addr2line：用來將程序地址轉(zhuǎn)換成其所對應(yīng)的程序源文件及所對應(yīng)的代碼行，也可以得到所對應(yīng)的函數(shù)。該工具將幫助調(diào)試器在調(diào)試的過程中定位對應(yīng)的源代碼位置。
as：主要用于匯編，有關(guān)匯編的詳細(xì)介紹請參見后文。
ld：主要用于鏈接，有關(guān)鏈接的詳細(xì)介紹請參見后文。
ar：主要用于創(chuàng)建靜態(tài)庫。為了便于初學(xué)者理解，在此介紹動態(tài)庫與靜態(tài)庫的概念：
- 如果要將多個.o目標(biāo)文件生成一個庫文件，則存在兩種類型的庫，一種是靜態(tài)庫，另一種是動態(tài)庫。
- 在windows中靜態(tài)庫是以 .lib 為后綴的文件，共享庫是以 .dll 為后綴的文件。在linux中靜態(tài)庫是以.a為后綴的文件，共享庫是以.so為后綴的文件。
- 靜態(tài)庫和動態(tài)庫的不同點(diǎn)在于代碼被載入的時刻不同。靜態(tài)庫的代碼在編譯過程中已經(jīng)被載入可執(zhí)行程序，因此體積較大。共享庫的代碼是在可執(zhí)行程序運(yùn)行時才載入內(nèi)存的，在編譯過程中僅簡單的引用，因此代碼體積較小。在Linux系統(tǒng)中，可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
- 如果一個系統(tǒng)中存在多個需要同時運(yùn)行的程序且這些程序之間存在共享庫，那么采用動態(tài)庫的形式將更節(jié)省內(nèi)存。
ldd：可以用于查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
objcopy：將一種對象文件翻譯成另一種格式，譬如將.bin轉(zhuǎn)換成.elf、或者將.elf轉(zhuǎn)換成.bin等。
objdump：主要的作用是反匯編。有關(guān)反匯編的詳細(xì)介紹，請參見后文。
readelf：顯示有關(guān)ELF文件的信息，請參見后文了解更多信息。
size：列出可執(zhí)行文件每個部分的尺寸和總尺寸，代碼段、數(shù)據(jù)段、總大小等，請參見后文了解使用size的具體使用實(shí)例。

C運(yùn)行庫

C語言標(biāo)準(zhǔn)主要由兩部分組成：一部分描述C的語法，另一部分描述C標(biāo)準(zhǔn)庫。C標(biāo)準(zhǔn)庫定義了一組標(biāo)準(zhǔn)頭文件，每個頭文件中包含一些相關(guān)的函數(shù)、變量、類型聲明和宏定義，譬如常見的printf函數(shù)便是一個C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，其原型定義在stdio頭文件中。

C語言標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)原型，并沒有提供實(shí)現(xiàn)。因此，C語言編譯器通常需要一個C運(yùn)行時庫（C Run Time Libray，CRT）的支持。C運(yùn)行時庫又常簡稱為C運(yùn)行庫。與C語言類似，C++也定義了自己的標(biāo)準(zhǔn)，同時提供相關(guān)支持庫，稱為C++運(yùn)行時庫。

準(zhǔn)備工作

由于GCC工具鏈主要是在Linux環(huán)境中進(jìn)行使用，因此本文也將以Linux系統(tǒng)作為工作環(huán)境。為了能夠演示編譯的整個過程，本節(jié)先準(zhǔn)備一個C語言編寫的簡單Hello程序作為示例，其源代碼如下所示：

#include  

//此程序很簡單，僅僅打印一個Hello World的字符串。
int main(void)
{
 ?printf("Hello World! 
");
 ?return 0;
}

編譯過程

1.預(yù)處理

預(yù)處理的過程主要包括以下過程：

將所有的#define刪除，并且展開所有的宏定義，并且處理所有的條件預(yù)編譯指令，比如#if #ifdef #elif #else #endif等。
處理#include預(yù)編譯指令，將被包含的文件插入到該預(yù)編譯指令的位置。
刪除所有注釋“//”和“/* */”。
添加行號和文件標(biāo)識，以便編譯時產(chǎn)生調(diào)試用的行號及編譯錯誤警告行號。
保留所有的#pragma編譯器指令，后續(xù)編譯過程需要使用它們。
使用gcc進(jìn)行預(yù)處理的命令如下：

$ gcc -E hello.c -o hello.i // 將源文件hello.c文件預(yù)處理生成hello.i
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// GCC的選項(xiàng)-E使GCC在進(jìn)行完預(yù)處理后即停止

hello.i文件可以作為普通文本文件打開進(jìn)行查看，其代碼片段如下所示：

// hello.i代碼片段

extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 942 "/usr/include/stdio.h" 3 4

# 2 "hello.c" 2


# 3 "hello.c"
int
main(void)
{
 ?printf("Hello World!" "
");
 ?return 0;
}

2.編譯

編譯過程就是對預(yù)處理完的文件進(jìn)行一系列的詞法分析，語法分析，語義分析及優(yōu)化后生成相應(yīng)的匯編代碼。

使用gcc進(jìn)行編譯的命令如下：

$ gcc -S hello.i -o hello.s // 將預(yù)處理生成的hello.i文件編譯生成匯編程序hello.s
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// GCC的選項(xiàng)-S使GCC在執(zhí)行完編譯后停止，生成匯編程序

上述命令生成的匯編程序hello.s的代碼片段如下所示，其全部為匯編代碼。

// hello.s代碼片段

main:
.LFB0:
 ? ?.cfi_startproc
 ? ?pushq ? %rbp
 ? ?.cfi_def_cfa_offset 16
 ? ?.cfi_offset 6, -16
 ? ?movq ? ?%rsp, %rbp
 ? ?.cfi_def_cfa_register 6
 ? ?movl ? ?$.LC0, %edi
 ? ?call ? ?puts
 ? ?movl ? ?$0, %eax
 ? ?popq ? ?%rbp
 ? ?.cfi_def_cfa 7, 8
 ? ?ret
 ? ?.cfi_endproc

3.匯編

匯編過程調(diào)用對匯編代碼進(jìn)行處理，生成處理器能識別的指令，保存在后綴為.o的目標(biāo)文件中。由于每一個匯編語句幾乎都對應(yīng)一條處理器指令，因此，匯編相對于編譯過程比較簡單，通過調(diào)用Binutils中的匯編器as根據(jù)匯編指令和處理器指令的對照表一一翻譯即可。

當(dāng)程序由多個源代碼文件構(gòu)成時，每個文件都要先完成匯編工作，生成.o目標(biāo)文件后，才能進(jìn)入下一步的鏈接工作。注意：目標(biāo)文件已經(jīng)是最終程序的某一部分了，但是在鏈接之前還不能執(zhí)行。

使用gcc進(jìn)行匯編的命令如下：

$ gcc -c hello.s -o hello.o // 將編譯生成的hello.s文件匯編生成目標(biāo)文件hello.o
 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?// GCC的選項(xiàng)-c使GCC在執(zhí)行完匯編后停止，生成目標(biāo)文件
//或者直接調(diào)用as進(jìn)行匯編
$ as -c hello.s -o hello.o //使用Binutils中的as將hello.s文件匯編生成目標(biāo)文件

注意：hello.o目標(biāo)文件為ELF（Executable and Linkable Format）格式的可重定向文件。

4.鏈接

鏈接也分為靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接，其要點(diǎn)如下：

靜態(tài)鏈接是指在編譯階段直接把靜態(tài)庫加入到可執(zhí)行文件中去，這樣可執(zhí)行文件會比較大。鏈接器將函數(shù)的代碼從其所在地（不同的目標(biāo)文件或靜態(tài)鏈接庫中）拷貝到最終的可執(zhí)行程序中。為創(chuàng)建可執(zhí)行文件，鏈接器必須要完成的主要任務(wù)是：符號解析（把目標(biāo)文件中符號的定義和引用聯(lián)系起來）和重定位（把符號定義和內(nèi)存地址對應(yīng)起來然后修改所有對符號的引用）。
動態(tài)鏈接則是指鏈接階段僅僅只加入一些描述信息，而程序執(zhí)行時再從系統(tǒng)中把相應(yīng)動態(tài)庫加載到內(nèi)存中去。
- 在Linux系統(tǒng)中，gcc編譯鏈接時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為：首先從gcc命令的參數(shù)-L指定的路徑尋找；再從環(huán)境變量LIBRARY_PATH指定的路徑尋址；再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib、/usr/local/lib尋找。
- 在Linux系統(tǒng)中，執(zhí)行二進(jìn)制文件時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為：首先搜索編譯目標(biāo)代碼時指定的動態(tài)庫搜索路徑；再從環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑尋址；再從配置文件/etc/ld.so.conf中指定的動態(tài)庫搜索路徑；再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib尋找。
- 在Linux系統(tǒng)中，可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。

由于鏈接動態(tài)庫和靜態(tài)庫的路徑可能有重合，所以如果在路徑中有同名的靜態(tài)庫文件和動態(tài)庫文件，比如libtest.a和libtest.so，gcc鏈接時默認(rèn)優(yōu)先選擇動態(tài)庫，會鏈接libtest.so，如果要讓gcc選擇鏈接libtest.a則可以指定gcc選項(xiàng)-static，該選項(xiàng)會強(qiáng)制使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接。以Hello World為例：

如果使用命令“gcc hello.c -o hello”則會使用動態(tài)庫進(jìn)行鏈接，生成的ELF可執(zhí)行文件的大小（使用Binutils的size命令查看）和鏈接的動態(tài)庫（使用Binutils的ldd命令查看）如下所示：

$ gcc hello.c -o hello
$ size hello ?//使用size查看大小
 ? text ? ?data ? ? bss ? ? dec ? ? hex filename
 ? 1183 ? ? 552 ? ? ? 8 ? ?1743 ? ? 6cf ? ? hello
$ ldd hello //可以看出該可執(zhí)行文件鏈接了很多其他動態(tài)庫，主要是Linux的glibc動態(tài)庫
 ? ? ? ?linux-vdso.so.1 => ?(0x00007fffefd7c000)
 ? ? ? ?libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fadcdd82000)
 ? ? ? ?/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fadce14c000)

如果使用命令“gcc -static hello.c -o hello”則會使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接，生成的ELF可執(zhí)行文件的大?。ㄊ褂肂inutils的size命令查看）和鏈接的動態(tài)庫（使用Binutils的ldd命令查看）如下所示：

$ gcc -static hello.c -o hello
$ size hello //使用size查看大小
 ? ? text ? ?data ? ? bss ? ? dec ? ? hex filename
 823726 ? ?7284 ? ?6360 ?837370 ? cc6fa ? ? hello //可以看出text的代碼尺寸變得極大
$ ldd hello
 ? ? ? not a dynamic executable //說明沒有鏈接動態(tài)庫

鏈接器鏈接后生成的最終文件為ELF格式可執(zhí)行文件，一個ELF可執(zhí)行文件通常被鏈接為不同的段，常見的段譬如.text、.data、.rodata、.bss等段。

分析ELF文件

1.ELF文件的段

ELF文件格式如下圖所示，位于ELF Header和Section Header Table之間的都是段（Section）。一個典型的ELF文件包含下面幾個段：

.text：已編譯程序的指令代碼段。
.rodata：ro代表read only，即只讀數(shù)據(jù)（譬如常數(shù)const）。
.data：已初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.bss：未初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.debug：調(diào)試符號表，調(diào)試器用此段的信息幫助調(diào)試。

可以使用readelf -S查看其各個section的信息如下：

$ readelf -S hello
There are 31 section headers, starting at offset 0x19d8:

Section Headers:
 ?[Nr] Name ? ? ? ? ? ? ?Type ? ? ? ? ? ? Address ? ? ? ? ? Offset
 ? ? ? Size ? ? ? ? ? ? ?EntSize ? ? ? ? ?Flags ?Link ?Info ?Align
 ?[ 0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? NULL ? ? ? ? ? ? 0000000000000000 ?00000000
 ? ? ? 0000000000000000 ?0000000000000000 ? ? ? ? ? 0 ? ? 0 ? ? 0
……
 ?[11] .init ? ? ? ? ? ? PROGBITS ? ? ? ? 00000000004003c8 ?000003c8
 ? ? ? 000000000000001a ?0000000000000000 ?AX ? ? ? 0 ? ? 0 ? ? 4
……
 ?[14] .text ? ? ? ? ? ? PROGBITS ? ? ? ? 0000000000400430 ?00000430
 ? ? ? 0000000000000182 ?0000000000000000 ?AX ? ? ? 0 ? ? 0 ? ? 16
 ?[15] .fini ? ? ? ? ? ? PROGBITS ? ? ? ? 00000000004005b4 ?000005b4
……

2.反匯編ELF

由于ELF文件無法被當(dāng)做普通文本文件打開，如果希望直接查看一個ELF文件包含的指令和數(shù)據(jù)，需要使用反匯編的方法。

使用objdump -D對其進(jìn)行反匯編如下：

$ objdump -D hello
……
0000000000400526 : ?// main標(biāo)簽的PC地址
//PC地址：指令編碼 ? ? ? ? ? ? ? ? ?指令的匯編格式
 ?400526: ? ?55 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?push ? %rbp 
 ?400527: ? ?48 89 e5 ? ? ? ? ? ? ? ?mov ? ?%rsp,%rbp
 ?40052a: ? ?bf c4 05 40 00 ? ? ? ? ?mov ? ?$0x4005c4,%edi
 ?40052f: ? ?e8 cc fe ff ff ? ? ? ? ?callq ?400400 
 ?400534: ? ?b8 00 00 00 00 ? ? ? ? ?mov ? ?$0x0,%eax
 ?400539: ? ?5d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?pop ? ?%rbp
 ?40053a: ? ?c3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?retq ? 
 ?40053b: ? ?0f 1f 44 00 00 ? ? ? ? ?nopl ? 0x0(%rax,%rax,1)
……

使用objdump -S將其反匯編并且將其C語言源代碼混合顯示出來：

$ gcc -o hello -g hello.c //要加上-g選項(xiàng)
$ objdump -S hello
……
0000000000400526 :
#include 

int
main(void)
{
 ?400526: ? ?55 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?push ? %rbp
 ?400527: ? ?48 89 e5 ? ? ? ? ? ? ? ?mov ? ?%rsp,%rbp
 ?printf("Hello World!" "
");
 ?40052a: ? ?bf c4 05 40 00 ? ? ? ? ?mov ? ?$0x4005c4,%edi
 ?40052f: ? ?e8 cc fe ff ff ? ? ? ? ?callq ?400400 
 ?return 0;
 ?400534: ? ?b8 00 00 00 00 ? ? ? ? ?mov ? ?$0x0,%eax
}
 ?400539: ? ?5d ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?pop ? ?%rbp
 ?40053a: ? ?c3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?retq ? 
 ?40053b: ? ?0f 1f 44 00 00 ? ? ? ? ?nopl ? 0x0(%rax,%rax,1)

……

　　審核編輯：湯梓紅

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Linux(218417) Linux(218417)
C語言(144944) C語言(144944)
GCC(26108) GCC(26108)
C++(76833) C++(76833)

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