【C语言】（24）编译过程

游码客
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在C语言编译过程中，源代码通过一系列的步骤转换成可执行程序。这个过程包括预编译、编译、汇编和链接等阶段，每个阶段的作用和具体操作如下：

下面使用的gcc是linux系统的编译器，如果要windows要跟着操作可以考虑安装一个虚拟机或者winGW或者是WSL。

1. 预编译 (Preprocessing)

预编译是编译的第一步，处理源代码中的预处理指令，如包含头文件、宏展开、条件编译等。

操作：

  • #include：将头文件内容插入到该指令位置。
  • #define：定义宏，并将代码中的宏展开。
  • #if, #ifdef, #ifndef, #else, #elif, #endif：根据条件包含或排除代码段。
  • 删除所有的注释。
  • 添加行标识，方便编译时错误定位。

使用GCC进行预编译：

gcc -E main.c -o main.i

该命令将预处理的结果保存在 main.i 文件中。

2. 编译 (Compilation)

编译阶段将预处理后的文件转换为汇编代码。这个过程包括语法分析、语义分析、优化等步骤，最终生成平台相关的汇编代码。

操作：

  • 分析代码的结构和语义，确保代码符合C语言规范。
  • 优化代码，提高程序的运行效率。
  • 生成汇编代码。

使用GCC进行编译：

gcc -S main.i -o main.s

这会生成一个 main.s 的汇编代码文件。

3. 汇编 (Assembly)

汇编器将汇编代码转换为机器可执行的指令（目标代码）。这些指令以二进制形式存储，但在这个阶段，它们被封装在目标文件中。

操作：

  • 将汇编指令转换为机器指令。
  • 生成目标文件（.o 或 .obj），这个文件包含了机器指令和程序所需的其他信息，如符号表。

使用GCC进行汇编：

gcc -c main.s -o main.o

这会生成一个名为 main.o 的目标文件。

4. 链接 (Linking)

链接（Linking）是编译过程的最后一步，它将编译后的一或多个目标文件（.o，.obj）以及所需的库文件合并成一个可执行文件或库文件。链接可以是静态链接或动态链接，静态链接会将库代码直接嵌入到最终的可执行文件中，而动态链接则在程序运行时从共享库中加载代码。

操作：

  • 解决外部符号引用，确保程序中的每个符号引用都能找到对应的定义。
  • 将所有的目标文件和库文件合并成一个单一的可执行文件。
  • 分配内存地址给程序的各个部分，如代码段、数据段。

使用GCC进行链接：

gcc main.o -o main

这会生成可执行文件 main。

下面再来一个链接的完整示例：

假设我们有两个C源文件和一个头文件：

main.c：

#include <stdio.h>
#include "math_functions.h"

int main() {
    int a = 5, b = 3;
    printf("Addition: %d\n", add(a, b));
    printf("Subtraction: %d\n", subtract(a, b));
    return 0;
}

math_functions.c：

#include "math_functions.h"

int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

int subtract(int x, int y) {
    return x - y;
}

math_functions.h：

#ifndef MATH_FUNCTIONS_H
#define MATH_FUNCTIONS_H

int add(int x, int y);
int subtract(int x, int y);

#endif

步骤 1: 编译源文件 首先，我们需要将每个源文件单独编译成目标文件。使用GCC编译器的命令如下：

gcc -c main.c -o main.o
gcc -c math_functions.c -o math_functions.o

这将生成两个目标文件：main.o和math_functions.o。

步骤 2: 链接目标文件 接下来，我们需要将这两个目标文件链接成一个可执行文件。使用以下命令：

gcc main.o math_functions.o -o my_program

这个命令将main.o和math_functions.o链接成名为my_program的可执行文件。

步骤 3: 运行可执行文件 现在，我们可以运行生成的可执行文件了：

./my_program

查看目标文件信息

readelf 或 objdump 是查看ELF格式（在Unix-like系统中常见的格式）文件信息的工具。

使用readelf查看目标文件信息：

readelf -s main.o

或使用 objdump 查看汇编代码：

objdump -d main.o

这些命令可以帮助你理解程序的结构，以及编译、汇编过程中发生了什么。

直接生成可执行文件

直接使用 gcc main.c 命令生成可执行文件的过程实际上包含了上述所有步骤：预编译、编译、汇编和链接。

当你执行：

gcc main.c

这个过程是自动完成的，通常不需要用户手动干预。GCC会产生一个默认的可执行文件名（在Linux和Unix-like系统中通常是a.out，在Windows中可能是a.exe），除非你用-o选项指定了其他的输出文件名。

例如，要生成名为main的可执行文件，你可以使用：

gcc main.c -o main

直接使用gcc main.c生成可执行文件的好处是简单快捷，适合快速编译和测试小程序。然而，在开发更复杂的项目时，可能需要更细致地控制编译过程（比如优化级别、特定的宏定义、包含不同的库等），这时就需要分步骤执行或者使用更复杂的Makefile来管理编译过程了。

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