7、C 语言程序编译的背后

C 语言是一种高级编程语言，它需要一个编译器将其转换为可执行代码才能在我们的机器上运行。

7.1、我们如何编译运行 C 语言程序

在下面的示例中，我们使用 带有 gcc 编译器的 Ubuntu 系统作为演示，我们首先打开编辑器，编写我们的 C 语言程序，并保存为 filename.c 。

利用下面 vim 命令，创建一个新文本：

vim filename.c

//program for the addition of two numbers
#include<stdio.h>
#define add(a, b) (a+b)   //using macrosint main()
{int a=5, b=4;printf("Addition is: %d\n", add(a, b));return 0;
}

上面的程序实现了一个简单的加法运算，我们接下来用下面的命令对源代码进行编译：

gcc -Wall filename.c -o filename   # 编译源代码
ls -F                              # 展示当前目录下的文件# filename*  filename.c     第一个文件后面的 * 表示这是一个可执行文件（* 不是文件名的一部分）

参数 -Wall 能够获取编译过程的所有警告信息，这个可选参数被推荐用来生成更好的代码。

参数 -o 用来指定输出文件的名字，如果我们不加该参数，默认的输出文件名称为 a.out

在编译完成后，我们可以直接运行得到的可执行文件：

./filename
# Addition is: 9

7.2、整个编译过程的内部发生了什么

编译器将一个 C 语言源码转换为一个可执行文件，这中间涉及到了 4 个阶段：

• 预处理
• 编译
• 汇编（Assembly）
• 链接

通过执行下面的命令，我们将会得到编译过程中所有的中间文件：

 gcc –Wall –save-temps filename.c –o filename ls -F# filename*  filename.c  filename.i  filename.o  filename.s

接下来，我们挨个看看这些文件都是什么内容

7.2.1 预处理

这是第一阶段，是基于源代码处理的，这个阶段的工作包括：

• 移除所有的注释内容
• 宏扩展
• 头文件扩展
• 有条件的编译

预处理阶段输出的内容存储在 filename.i 文件中，我们看看这个文件里的内容

  1 # 1 "filename.c"2 # 1 "<built-in>"3 # 1 "<command-line>"4 # 31 "<command-line>"5 # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 46 # 32 "<command-line>" 27 # 1 "filename.c"...
853 # 5 "filename.c"
854 int main()
855 {
856     int a=5, b=4;
857     printf("Addition is: %d\n", (a+b));
858     return 0;
859 }

在上面的输出内容中，源文件被塞满了很多很多信息，但是在文件的最后我们会看到我们编写的源代码。

分析：

• 输出语句中，现在是 a+b 而不是 add(a,b)，这是因为宏定义已经被展开替换
• 注释内容全部不见了
• #inclue 部分不见了，被替换为许多代码，这是因为头文件中的代码被复制进源代码中间中了

7.2.2 编译

接下来我们对 filename.i 进行编译并产生一个中间结果文件 filename.s 。这个文件包含一些汇编级别的指令，我们可以打开看一下：

        .file   "filename.c".section        .rodata
.LC0:.string "Addition is: %d\n".text.globl  main.type   main, @function
main:
.LFB0:.cfi_startprocpushq   %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset 6, -16movq    %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register 6subq    $16, %rspmovl    $5, -8(%rbp)movl    $4, -4(%rbp)movl    -8(%rbp), %edxmovl    -4(%rbp), %eaxaddl    %edx, %eaxmovl    %eax, %esimovl    $.LC0, %edimovl    $0, %eaxcall    printfmovl    $0, %eaxleave.cfi_def_cfa 7, 8ret.cfi_endproc
.LFE0:.size   main, .-main.ident  "GCC: (Ubuntu 6.5.0-2ubuntu1~16.04) 6.5.0 20181026".section        .note.GNU-stack,"",@progbits

7.2.3 汇编

在这个阶段，filename.s 作为输入文件，通过汇编程序转成 filename.o 文件，这个文件包含了一些机器级别的指令。在这个阶段，只是将已存在的代码转换成机器语言，但是像 printf 这种函数调用依然没有得到解决（注意，我们在预处理阶段从 stdio.h 文件中只是把 printf 函数的声明拿了过来，具体的实现交给链接器），我们看一下 filename.o 文件中的内容，你会看到一些类似乱码一样的符号。

7.2.4 链接

这是最后一个阶段，在这个阶段中，所有函数调用与其定义的链接都完成了。链接器知道所有这些函数的实现位置。链接器也做一些额外的工作，它添加一些额外的代码到我们的程序中，这是程序开始和结束时所必需的。例如，有一个设置环境（如传递命令行参数）所需的代码。使用 $size filename.o 和 $size filename 可以轻松验证此任务。通过这些命令，我们知道输出文件如何从对象文件增加到可执行文件。这是因为链接器在我们的程序中添加了额外的代码。

(base) root@ml:/ml/home/dfsj# size filename.otext    data     bss     dec     hex filename127       0       0     127      7f filename.o
(base) root@ml:/ml/home/dfsj# size filenametext    data     bss     dec     hex filename1221     552       8    1781     6f5 filename

注意 GCC 默认实现了动态链接，所以 printf() 是动态链接到上面程序中的，关于静态与动态链接的更多内容可以参考：这里, 这里 还有 这里 。

This article is contributed by Vikash Kumar.