Computerprogrammiersprachen werden normalerweise in drei Kategorien unterteilt: Maschinensprache, Assemblersprache und Hochsprache. Hochsprachen müssen in Maschinensprache übersetzt werden, bevor sie ausgeführt werden können. Es gibt zwei Arten der Übersetzung: eine wird kompiliert und die andere wird interpretiert.
Daher teilen wir Hochsprachen grundsätzlich in zwei Kategorien ein: Eine davon sind kompilierte Sprachen wie C, C++, Java und die andere sind interpretierte Sprachen wie Python, Ruby, MATLAB und JavaScript.
In diesem Artikel wird der Prozess der Konvertierung von High-Level-Programmen, die in der Sprache C/C++ geschrieben sind, in Binärcodes vorgestellt, die vom Prozessor ausgeführt werden können, einschließlich vier Schritten:
Der allgemein als GCC bezeichnete Code ist die Abkürzung für GUN Compiler Collection, ein häufig verwendetes Kompilierungstool auf Linux-Systemen. Die GCC-Toolkettensoftware umfasst GCC, Binutils, C-Laufzeitbibliothek usw.
GCC (GNU C Compiler) ist ein Kompilierungstool. In diesem Artikel wird der Prozess der Konvertierung eines in der Sprache C/C++ geschriebenen Programms in einen Binärcode vorgestellt, der vom Prozessor ausgeführt werden kann und der vom Compiler vervollständigt wird.
Eine Reihe von Tools zur Verarbeitung binärer Programme, darunter: addr2line, ar, objcopy, objdump, as, ld, ldd, readelf, size usw. Diese Tools sind ein unverzichtbares Tool für die Entwicklung und das Debuggen. Ihre jeweiligen Einführungen sind wie folgt:
Der C-Sprachstandard besteht hauptsächlich aus zwei Teilen: Ein Teil beschreibt die Syntax von C und der andere Teil beschreibt die C-Standardbibliothek. Die C-Standardbibliothek definiert eine Reihe von Standard-Header-Dateien. Jede Header-Datei enthält einige verwandte Funktionen, Variablen, Typdeklarationen und Makrodefinitionen. Beispielsweise ist die allgemeine printf-Funktion eine C-Standardbibliotheksfunktion, und ihr Prototyp ist in stdio definiert Header-Datei.
C语言标准仅仅定义了C标准库函数原型，并没有提供实现。因此，C语言编译器通常需要一个C运行时库（C Run Time Libray，CRT）的支持。C运行时库又常简称为C运行库。与C语言类似，C++也定义了自己的标准，同时提供相关支持库，称为C++运行时库。
由于GCC工具链主要是在Linux环境中进行使用，因此本文也将以Linux系统作为工作环境。为了能够演示编译的整个过程，本节先准备一个C语言编写的简单Hello程序作为示例，其源代码如下所示：
#include
//此程序很简单，仅仅打印一个Hello World的字符串。
int main(void)
{
printf("Hello World! \n");
return 0;
}
“
预处理的过程主要包括以下过程：
使用gcc进行预处理的命令如下：
$ gcc -E hello.c -o hello.i // 将源文件hello.c文件预处理生成hello.i // GCC的选项-E使GCC在进行完预处理后即停止
hello.i文件可以作为普通文本文件打开进行查看，其代码片段如下所示：
// hello.i代码片段
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!" "\n");
return 0;
}
编译过程就是对预处理完的文件进行一系列的词法分析，语法分析，语义分析及优化后生成相应的汇编代码。
使用gcc进行编译的命令如下：
$ gcc -S hello.i -o hello.s // 将预处理生成的hello.i文件编译生成汇编程序hello.s // GCC的选项-S使GCC在执行完编译后停止，生成汇编程序
上述命令生成的汇编程序hello.s的代码片段如下所示，其全部为汇编代码。
// hello.s代码片段 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
汇编过程调用对汇编代码进行处理，生成处理器能识别的指令，保存在后缀为.o的目标文件中。由于每一个汇编语句几乎都对应一条处理器指令，因此，汇编相对于编译过程比较简单，通过调用Binutils中的汇编器as根据汇编指令和处理器指令的对照表一一翻译即可。
当程序由多个源代码文件构成时，每个文件都要先完成汇编工作，生成.o目标文件后，才能进入下一步的链接工作。注意：目标文件已经是最终程序的某一部分了，但是在链接之前还不能执行。
使用gcc进行汇编的命令如下：
$ gcc -c hello.s -o hello.o // 将编译生成的hello.s文件汇编生成目标文件hello.o // GCC的选项-c使GCC在执行完汇编后停止，生成目标文件 //或者直接调用as进行汇编 $ as -c hello.s -o hello.o //使用Binutils中的as将hello.s文件汇编生成目标文件
注意：hello.o目标文件为ELF（Executable and Linkable Format）格式的可重定向文件。
链接也分为静态链接和动态链接，其要点如下：
由于链接动态库和静态库的路径可能有重合，所以如果在路径中有同名的静态库文件和动态库文件，比如libtest.a和libtest.so，gcc链接时默认优先选择动态库，会链接libtest.so，如果要让gcc选择链接libtest.a则可以指定gcc选项-static，该选项会强制使用静态库进行链接。以Hello World为例：
$ 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 //可以看出该可执行文件链接了很多其他动态库，主要是Linux的glibc动态库 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”则会使用静态库进行链接，生成的ELF可执行文件的大小（使用Binutils的size命令查看）和链接的动态库（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的代码尺寸变得极大 $ ldd hello not a dynamic executable //说明没有链接动态库
链接器链接后生成的最终文件为ELF格式可执行文件，一个ELF可执行文件通常被链接为不同的段，常见的段譬如.text、.data、.rodata、.bss等段。
ELF文件格式如下图所示，位于ELF Header和Section Header Table之间的都是段（Section）。一个典型的ELF文件包含下面几个段：
可以使用readelf -S查看其各个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 ……
由于ELF文件无法被当做普通文本文件打开，如果希望直接查看一个ELF文件包含的指令和数据，需要使用反汇编的方法。
使用objdump -D对其进行反汇编如下：
$ objdump -D hello …… 0000000000400526 : // main标签的PC地址 //PC地址：指令编码 指令的汇编格式 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将其反汇编并且将其C语言源代码混合显示出来：
$ gcc -o hello -g hello.c //要加上-g选项
$ objdump -S hello
……
0000000000400526 :
#include
int
main(void)
{
400526: 55 push %rbp
400527: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
printf("Hello World!" "\n");
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)
……
Das obige ist der detaillierte Inhalt vonDetaillierte Erläuterung des Linux-Programmkompilierungsprozesses. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!
