读书笔记——《程序员自我修养》——编译和链接

    大家学C语言时都会写hello world程序

#include <stdio.h>int main(){    printf("hello world\n");    return 0;}

$gcc hello.c 
$ ./a.out 
hello world

实际上上诉过程分为4个步骤：

• 预处理(Prepressing)
• 编译(Compilation)
• 汇编(Assembly)
• 链接(Linking)

编译过程

（图一）

分解动作

• 预编译

$gcc -E hello.c -o hello.i

或者

$cpp hello.c > hello.i

预编译主要处理源代码中以"#“开始的预编译指令：

(1) 展开#define

(2) 处理条件编译#if  #ifdef #elif #else #endif

(3) 展开#include的文件

(4) 删除注释 //   /**/

(5) 添加行号和文件名标识， 用于各种调试

(6) 保留#pragma编译器指令

• 编译

$gcc -S hello.i -o hello.s

产生汇编代码，现在版本的GCC把预编译和编译合并成一个步骤

$/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4/cc1 hello.c
 main
Analyzing compilation unit
Performing interprocedural optimizations
 <visibility> <early_local_cleanups> <summary generate> <inline>Assembling functions:
 main
Execution times (seconds)
 parser                :   0.02 (100%) usr   0.00 ( 0%) sys   0.01 (100%) wall     318 kB (19%) ggc
 TOTAL                 :   0.02             0.00             0.01               1668 kB

得到输出文件hello.s

$ vi hello.s

   .file   "hello.c"    .section    .rodata.LC0:    .string "hello world"    .text.globl main    .type   main, @functionmain:.LFB0:    .cfi_startproc    pushq   %rbp    .cfi_def_cfa_offset 16    movq    %rsp, %rbp    .cfi_offset 6, -16     .cfi_def_cfa_register 6    movl    $.LC0, %edi    call    puts    movl    $0, %eax    leave    ret     .cfi_endproc.LFE0:    .size   main, .-main    .ident  "GCC: (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) 4.4.3"    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

• 汇编

汇编器是将汇编代码转换成机器可以执行的指令

$as hello.s -o hello.o

或者

$gcc -c hello.s -o hello.o

打开看hello.o文件已经全都是二进制的文件了

• 链接 

如果我们们在编译的时候打印出整个过程

$ gcc hello.c -o hello -vUsing built-in specs.Target: x86_64-linux-gnuConfigured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-4.4/README.Bugs --enable-languages=c,c++,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --enable-shared --enable-multiarch --enable-linker-build-id --with-system-zlib --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.4 --program-suffix=-4.4 --enable-nls --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-plugin --enable-objc-gc --disable-werror --with-arch-32=i486 --with-tune=generic --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnuThread model: posixgcc version 4.4.3 (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello' '-v' '-mtune=generic' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/cc1 -quiet -v hello.c -D_FORTIFY_SOURCE=2 -quiet -dumpbase hello.c -mtune=generic -auxbase hello -version -fstack-protector -o /tmp/ccnewg3s.sGNU C (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) version 4.4.3 (x86_64-linux-gnu)        compiled by GNU C version 4.4.3, GMP version 4.3.2, MPFR version 2.4.2-p1.GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu"ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../x86_64-linux-gnu/include"ignoring nonexistent directory "/usr/include/x86_64-linux-gnu"#include "..." search starts here:#include <...> search starts here: /usr/local/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/include-fixed /usr/includeEnd of search list.GNU C (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5.1) version 4.4.3 (x86_64-linux-gnu)        compiled by GNU C version 4.4.3, GMP version 4.3.2, MPFR version 2.4.2-p1.GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072Compiler executable checksum: 462394bb0ac77cba16b6fb6b32589358COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello' '-v' '-mtune=generic'as -V -Qy -o /tmp/ccgJalgD.o /tmp/ccnewg3s.sGNU assembler version 2.20.1 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.20.1-system.20100303COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/:/lib/../lib/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../:/lib/:/usr/lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/COLLECT_GCC_OPTIONS='-o' 'hello' '-v' '-mtune=generic' /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/collect2 --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=both -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2</strong> -o hello -z relro /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib -L/lib/../lib -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../.. -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu /tmp/ccgJalgD.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/crtend.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/../../../../lib/crtn.o

过程大概是这样：

（1）启动GCC

（2）调用usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/4.4.3/cc1 进行预处理和编译生成临时文件/tmp/ccnewg3s.s

（3）调用汇编器as生成目标文件/tmp/ccgJalgD.o

（4）最后collect2调用ld生成可执行文件

最后的链接工作去掉那些文件的目录会清晰的多

collect2 --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=both -dynamic-linker ld-linux-x86-64.so.2 -o hello</span><span style="background-color: rgb -z relro crt1.o crti.o crtbegin.o -L/usr/lib/ -L/lib -L/gcc ccgJalgD.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed crtend.o crtn.o

简单的例子说明链接器的作用

比如用两个文件main.c 和 func.c ，main.c在执行的时候要调用func.c中的foo()，那么我们在main.c调用foo的时候就要知道foo的函数地址，但由于每个文件都是单独编译的在编译main.c的时候并不知道foo函数地址，所以暂时将调用foo的指令的目标地址搁置，等待最后链接的时候再去将这些指令的目标地址修正，如果没有链接器就需要我们人为的去填入foo的地址。但如果下一次编译func.c foo的地址变了，那么就不可能每次都人为的去调整foo的地址了，所以链接器起到了一个调用地址自动修正的一个过程，也就是重定位吧，当然链接器不止是这么简单的功能。