GCC编译的背后( 预处理和编译汇编和链接)

by falcon<zhangjinw@gmail.com>
2008-02-22

平时在Linux下写代码，直接用"gcc -o out in.c"就把代码编译好了，但是这后面到底做了什么事情呢？如果学习过编译原理则不难理解，一般高级语言程序编译的过程莫过于：预处理、编译、汇编、链接。gcc在后台实际上也经历了这几个过程，我们可以通过-v参数查看它的编译细节，如果想看某个具体的编译过程，则可以分别使用-E,-S,-c和 -O，对应的后台工具则分别为cpp,cc1,as,ld。下面我们将逐步分析这几个过程以及相关的内容，诸如语法检查、代码调试、汇编语言等。

1、预处理

开篇简述：预处理是C语言程序从源代码变成可执行程序的第一步，主要是C语言编译器对各种预处理命令进行处理，包括头文件的包含、宏定义的扩展、条件编译的选择等。

以前没怎么“深入”预处理，脑子对这些东西总是很模糊，只记得在编译的基本过程（词法分析、语法分析）之前还需要对源代码中的宏定义、文件包含、条件编译等命令进行处理。这三类的指令很常见，主要有#define, #include和#ifdef ... #endif，要特别地注意它们的用法。（更多预处理的指令请查阅相关资料）

#define除了可以独立使用以便灵活设置一些参数外，还常常和#ifdef ... #endif结合使用，以便灵活地控制代码块的编译与否，也可以用来避免同一个头文件的多次包含。关于#include貌似比较简单，通过man找到某个函数的头文件，copy进去，加上<>就okay。这里虽然只关心一些技巧，不过预处理还是蕴含着很多潜在的陷阱（可参考<C Traps & Pitfalls>），我们也需要注意的。下面仅介绍和预处理相关的几个简单内容。

打印出预处理之后的结果：gcc -E hello.c

这样我们就可以看到源代码中的各种预处理命令是如何被解释的，从而方便理解和查错。

实际上gcc在这里是调用了cpp的(虽然我们通过gcc的-v仅看到cc1)，cpp即The C Preprocessor，主要用来预处理宏定义、文件包含、条件编译等。下面介绍它的一个比较重要的选项-D。

在命令行定义宏：gcc -Dmacro hello.c

等同于在文件的开头定义宏，即#define maco，但是在命令行定义更灵活。例如，在源代码中有这些语句。
#ifdef DEBUG
printf("this code is for debugging ");
#endif

如果编译时加上-DDEBUG选项，那么编译器就会把printf所在的行编译进目标代码，从而方便地跟踪该位置的某些程序状态。这样-DDEBUG就可以当作一个调试开关，编译时加上它就可以用来打印调试信息，发布时则可以通过去掉该编译选项把调试信息去掉。

本节参考资料：
[1] C语言教程第九章:预处理
http://www.bc-cn.net/Article/kfyy/cyy/jc/200409/9.html
[2] 更多
http://www.hemee.com/kfyy/c/6626.html
http://www.91linux.com/html/article/program/cpp/20071203/8745.html
http://www.janker.org/bbs/programmer/2006-10-13/327.html

2、编译（翻译）

开篇简要：编译之前，C语言编译器会进行词法分析、语法分析(-fsyntax-only)，接着会把源代码翻译成中间语言，即汇编语言。如果想看到这个中间结果，可以用-S选项。需要提到的是，诸如shell等解释语言也会经历一个词法分析和语法分析的阶段，不过之后并不会进行“翻译”，而是“解释”，边解释边执行。
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A、解释程序

所谓解释程序是高级语言翻译程序的一种，它将源语言(如BASIC)书写的源程序作为输入，解释一句后就提交计算机执行一句，并不形成目标程序。就像外语翻译中的“口译”一样，说一句翻一句，不产生全文的翻译文本。这种工作方式非常适合于人通过终端设备与计算机会话，如在终端上打一条命令或语句，解释程序就立即将此语句解释成一条或几条指令并提交硬件立即执行且将执行结果反映到终端，从终端把命令打入后，就能立即得到计算结果。这的确是很方便的，很适合于一些小型机的计算问题。但解释程序执行速度很慢，例如源程序中出现循环，则解释程序也重复地解释并提交执行这一组语句，这就造成很大浪费。

B、编译程序

这是一类很重要的语言处理程序，它把高级语言(如FORTRAN、COBOL、Pascal、C等)源程序作为输入，进行翻译转换，产生出机器语言的目标程序，然后再让计算机去执行这个目标程序，得到计算结果。

编译程序工作时，先分析，后综合，从而得到目标程序。所谓分析，是指词法分析和语法分析；所谓综合是指代码优化，存储分配和代码生成。为了完成这些分析综合任务，编译程序采用对源程序进行多次扫描的办法，每次扫描集中完成一项或几项任务，也有一项任务分散到几次扫描去完成的。下面举一个四遍扫描的例子：第一遍扫描做词法分析；第二遍扫描做语法分析；第三遍扫描做代码优化和存储分配；第四遍扫描做代码生成。

值得一提的是，大多数的编译程序直接产生机器语言的目标代码，形成可执行的目标文件，但也有的编译程序则先产生汇编语言一级的符号代码文件，然后再调用汇编程序进行翻译加工处理，最后产生可执行的机器语言目标文件。

在实际应用中，对于需要经常使用的有大量计算的大型题目，采用易做图速度较快的编译型的高级语言较好，虽然编译过程本身较为复杂，但一旦形成目标文件，以后可多次使用。相反，对于小型题目或计算简单不太费机时的题目，则多选用解释型的会话式高级语言，如BASIC，这样可以大大缩短编程及调试的时间

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把源代码翻译成汇编语言，实际上是编译的整个过程中的第一个阶段，之后的阶段和汇编语言的开发过程没有什么区别。这个阶段涉及到对源代码的词法分析、语法检查（通过-std指定遵循哪个标准），并根据优化(-O)要求进行翻译成汇编语言的动作。

如果仅仅希望进行语法检查，可以用-fsyntax-only选项；而为了使代码有比较好的移植性，避免使用gcc的一些特性，可以结合-std和 -pedantic（或者-pedantic-erros)选项让源代码遵循某个C语言标准的语法。这里演示一个简单的例子。

$ cat hello.c
#include <stdio.h>
int main()
{
        printf("hello, world ")
        return 0;
}
$ gcc -fsyntax-only hello.c
hello.c: In function ‘main’:
hello.c:5: error: expected ‘;’ before ‘return’
$ vim hello.c
$ cat hello.c
#include <stdio.h>
int main()
{
        printf("hello, world ");
        int i;
        return 0;
}
$ gcc -std=c89 -pedantic-errors hello.c    #默认情况下，gcc是允许在程序中间声明变量的，但是turboc就不支持
hello.c: In function ‘main’:
hello.c:5: error: ISO C90 forbids mixed declarations and code

语法错误是程序开发过程中难以避免的错误（人的大脑在很多条件下都容易开小差），不过编译器往往能够通过语法检查快速发现这些错误，并准确地告诉你语法错误的大概位置。因此，作为开发人员，要做的事情不是“恐慌”（不知所措），而是认真阅读编译器的提示，根据平时积累的经验（最好在大脑中存一份常见语法错误索引，很多资料都提供了常见语法错误列表，如<C Traps&Pitfalls>和最后面的参考资料[12]也列出了很多常见问题）和编辑器提供的语法检查功能（语法加亮、括号匹配提示等）快速定位语法出错的位置并进行修改。

语法检查之后就是翻译动作，gcc提供了一个优化选项-O，以便根据不同的运行平台和用户要求产生经过优化的汇编代码。例如，

$ gcc -o hello hello.c            #采用默认选项，不优化
$ gcc -O2 -o hello2 hello.c        #优化等次是2
$ gcc -Os -o hellos hello.c        #优化目标代码的大小
$ ls -S hello hello2 hellos        #可以看到，hellos比较小,hello2比较大
hello2 hello hellos
$ time ./hello
hello, world

real    0m0.001s
user    0m0.000s
sys     0m0.000s
$ time ./hello2                #可能是代码比较少的缘故，执行效率看上去不是很明显
hello, world

real    0m0.001s
user    0m0.000s
sys     0m0.000s

$ time ./hellos &nb

补充：综合编程 , 其他综合 ,

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