通过GCC编译器编译c程序的四个阶段

本文展示一个hello.c源文件在linux系统下被翻译成可执行目标文件的四个阶段。本文中的操作在 Ubuntu18.04 LTS,64-bit环境下进行，采用的编译器为GCC 7.5.0。 本文参考 CS:APP 3rd Edition

测试源文件hello.c代码如下所示：

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

hello程序的声明周期是从一个高级Ｃ语言程序开始的，因为这种形式能够被人读懂。然而，为了在系统上运行hello.c，每条Ｃ语句都必须被其他程序转化为一系列低级机器语言指令。然后这些指令按照一种称为可执行目标程序的格式打好包，并以二进制磁盘文件的形式存放起来。目标程序也称为可执行目标文件。

在类Unix系统上，从源文件到目标文件的转化时由编译器驱动程序完成的：

linux> gcc -o hello hello.c

在这里，GCC编译器驱动程序读取源程序文件hello.c，并把它翻译成一个可执行目标文件hello。这个翻译过程可分为四个阶段完成。如下图所示。执行这四个阶段的程序（预处理器、编译器、汇编器和链接器）一起构成了编译系统（compilation system）。

下面是C编译器编译C文件的四个阶段。

Stage 1. 预处理 (.c – .i)

预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序。比如hello.c中第1行的#include <stdio.h> 命令告诉预处理器读取系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入程序文本中。结果就得到了另一个C程序，通常是以.i作为文件扩展名。

在Linux下验证： 输入下面命令

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

在hello.c文件目录下生成了hello.i文件。 用记事本打开hello.i或者cat hello.i，可以看到hello.i文件中前面都是*.h的头文件、typedef重定义的类型名、extern声明的函数名和变量，最后是我们的 main函数。如下图：

Stage 2. 编译 (.i – .s)

编译器（ccl）将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含一个汇编语言程序。该程序包含函数main的定义。

在Linux下验证： 输入下面命令

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

注意上面命令-S为大写的Ｓ，若小写则生成二进制可执行文件 😦

执行上面命令之后，在hello.c文件目录下生成了hello.s文件。 hello.s为文本文件，它包含一个汇编语言程序。该程序包含函数main的定义。 hello.s文件如下图所示：

Stage 3. 汇编 (.s – .o)

汇编器（as）将hello.s翻译成机器语言指令，把这个指令打包成一种叫做可重定位目标程序（relocatable object program）的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。hello.o文件是一个二进制文件，它包含的17个字节是函数mian的指令编码。如果我们在文本编辑器中打开hello.o文件，将看到一堆乱码。 在Linux下验证： 输入下面命令

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

执行上面命令之后，在hello.c文件目录下生成了hello.o文件。

使用文本编辑器或者cat命令打开该文件，可以看到一堆乱码。 如下图：

Stage 4. 链接 (.o – 目标文件)

hello程序调用了printf函数，它是每个C编译器都提供的标准C库中的一个函数。printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译好的目标文件中，而这个文件必须以某种方式合并到我们的hello.o程序中。链接器（ld）就负责处理这种合并。结果就得到hello文件，它是一个可执行目标文件（或者简称为可执行文件），可以被加载到内存中，由系统执行。 在Linux下验证： 输入下面命令

$ gcc hello.o -o hello

在hello.c文件夹下生成了hello可执行文件 在shell下输入

$ ./hello

输出如下：

结束语

了解编译系统如何工作是大有益处的，能够帮助我们 1.能够优化程序性能 2.理解链接时出现的错误 3.避免安全漏洞