C语言程序编译过程及原理详解（简单基础篇）

可执行程序是如何诞生的？

编译链接过程（简述）

先稍微回顾一下，在生成可执行文件之前，程序会经历三步，分别是预处理、编译、汇编，预处理是将宏展开、#include、#ifendif这些条件编译，还有添加行号、删除注释信息，生成.i文件，然后是编译阶段，计算机会经过语法分析、语义分析、词义分析，并且进行代码优化，从而生成.s汇编文件，再之后是汇编阶段，将汇编指令转为机器指令，同时生成各种段和符号表，生成可重定向的二进制文件.o文件，在之后是链接阶段，链接阶段分为两种阶段，分别是静态链接和动态链接，这两者的主要区别在于链接的时机不同，静态链接主要发生在可执行文件生成之前，动态链接主要发生程序运行之前

基本概念

数据

数据是指全局变量和静态变量，还有一种数据叫做常量

存储数据有三个位置：data段、rodata段、bss段，初始化值不为0的全局变量和静态变量存放在data段，字符串常量存放在rodata段，

初始化值为0或者未初始化的全局变量和静态变量存放在bss段

指令

一个代码块除了数据外就是指令，这里举个例子

 #include<stdio.h>
 int main()
 {
     int a = 10;
     int b = 20;  
     printf("a+b=%d\n", a + b);
     return 0;
 }

 

上文的a和b并不是数据，因为其是局部变量，这条指令表示通过移动rsp寄存器在栈帧上开辟四个字节空间，并向其中写入数据

符号

数据段的数据都会产生符号，而代码段只有函数名会产生符号，符号的修饰符为global和local，global为没有被static修饰的全局变量和函数名，而local则是被static修饰的全局变量和函数名，global能够对所有源文件可见，local则只能对当前源文件可见

符号其实就是程序中变量名和函数名，同时还要理解符号定义和符号引用的概念

 //举个例子
 //main.c
 int buf[2]={1,2};//符号定义
 void swap();
 int main()//符号定义
 {
    swap();//符号调用
    return 0;
 }
 //swap.c
 extern int buf[];//符号定义
 int* bufp0=&buf[0];//bufp0是符号定义，buf[0]是符号调用
 static int*bufp1;//符号定义
 void swap()//符号定义
 {
    int temp;//这是一条指令
    bufp1=&buf[1];//下面这些全部都是符号调用
    temp=*bufp0;
    *bufp0=*bufp1;
    *bufp1=temp;
 }

链接符号的类型

global symbols：全局变量产生的符号，一般是不被static修饰的全局变量和函数名

external symbols：引用外部文件的变量或函数产生，比如main.c中的swap函数引用swap.c

local symbols：访问权限受限的全局变量或者函数，一般是被static修饰

符号定义的本质

符号定义的本质是分配了存储空间，符号的值就是其目标的首地址，函数名的符号指向实现它的代码区，变量的话则指向存储它的静态数据区，所以符号解析的简单过程就是在确定符号定义与符号调用的关系后，将符号调用的地址重定位为相关联的符号定义的地址

强弱符号

强符号：函数名和已初始化的全局变量

弱符号：尚未初始化的全局变量

符号解析规则：（1）强符号不能多次定义

（2）若同时存在弱符号和强符号，则以强符号的定义为主

（3）若存在多个弱符号，则随机选一个

虚拟地址进程空间

上图为32位机的虚拟进程空间，每个操作系统有2^32个字节的空间，也就是4G空间，这4G有3G是进程相互独立的用户空间，或者说是用户态，另外1G则是由全部进程共享的内核空间，即内核态

编译过程

.o文件

.o文件的组成

一个.o文件包含ELF header和各个段，其中ELF header占64个字节

接下来是各个段：

这里首先可以看出数据和代码在.o文件中是以段的形式存储，然后观察text段，发现它的file off位置在0x40，也就是64字节处，结合ELF header占64字节，可以看出text段位于ELF header后面，而ELF header位于最低地址处（0x00），然后谈论一点有难度的地方

text段大小为0x19，其file off的位置为0x40，也就是其起始偏移位置为0x59，但实际可以看到data段的file off位置为0x5c，这一现象的原因在于字节对齐，字节对齐我会在下一个标题进行讲解

之后的.bss段会出现两个问题，一个是.bss段的大小应该为4*6=24字节，但是实际上却是20字节；另一个问题就是可以看到.comment段的偏移(file off)也为0x68，这说明.bss段在目标文件中是不占大小的，即.comment和.bss段的偏移相同。对于这两个问题，这里不作详细介绍，简单说一下。第一个问题，涉及到C语言中的强符号和弱符号概念；第二个问题我们可以这样理解，因为.bss段中存的是初始化为0或者未初始化的数据，而实际未初始化的数据其默认值也为0，这样我们就没必要存它们的初始值，相当于有一个默认值0

上面的图只列出了部分段，下面查看一下目标文件中所有的段，一共有11个段，简单说明一下，.comment是注释段、.symtab是符号表段

 

字节对齐

字节对齐的目的在于提高CPU处理数据的效率，比如说有一个int类型的数据，那么其起始偏移地址必须要被4整除，通常来说，在 64 位机下，对于基础数据类型，它的字节对齐就是它的 sizeof。比如 bool 类型，sizeof(bool) = 1, 要求 1 字节对齐，1 字节对齐就相当于不对齐。而 int 类型，sizeof(int) = 4, 就要求 4 字节对齐。double 类型，sizeof(double) = 8，要求 8 字节对齐

上面这张图就比较形象的说明为什么要字节对齐，因为如果字节对齐，在32位机cpu每次读取4字节的信息（64位则是八字节），那么刚好可以一次读取全部的整形数据，反之如果不对齐，则需要额外次数进行读取

这里顺便介绍几个概念：

操作系统：每个时钟周期内，处理器处理二进制代码数，即“0”和“1”的个数。如64-bit，32-bit CPU位数：CPU中寄存器的位数=CPU能够一次并行处理的数据宽度（位数）=数据总线宽度；64-bit，32-bit

关系：操作系统位数 = 其所依赖的指令集位数 <= CPU位数

符号表

在编译时期，也就是尚未链接的时期，符号尚未被分配内存地址，因此符号地址为零或者偏移量，第一列为符号的地址（不是零就是相对于ELF header的偏移量），第二列为符号的作用域，l为local，g为global，第三列表示符号类型，第四列为在哪个段内

实际上符号表是一个结构体数组，里面存储了符号信息

name：表示了在字符串段内的偏移量，也就是变量名和函数名

type：符号类型，函数还是变量

binding：全局还是局部

section：位于哪个段

value：偏移量，在.o文件中就是距离符号定义起始位置的偏移量，但是如果在可执行文件中，就是绝对运行地址

链接过程

现在要对.o文件进行处理，也就是链接，链接的大致过程是：合并所有目标文件相同的段，并调整段偏移和段长度，合并符号表，进行内存分配，符号重定位

合并所有目标文件相同的段：将所有具有相同属性的段进行合并，例如.text段和.rodata段都具有可读与可执行权限，因此将两者合并到一个页面上，同理将.bss和.data段也合并在一个界面上，这样更省内存空间

符号解析：将符号的引用与符号的定义相关联

合并符号表：计算符号定义的绝对地址，这里要注意一点，在执行链接流程之前，符号定义与引用是没有分配地址的，其符号值为相对于符号定义的偏移量

符号重定位：将符号引用的地址修改为重新分配好的地址

静态链接

为什么要静态链接

在编写项目的时候，不可能将全部代码放入同一个源文件，要分成多个源文件，每个源文件都是.c文件，并且相互之间并不完全独立（不同源文件可能会相互调用函数），因此每个源文件经过编译产生的.o文件需要通过链接形成可执行文件，而这种链接就是静态链接

静态链接的原理

实际上静态链接是将多个.o文件链接形成静态链接库，每当可执行文件执行时，便会将所使用的函数的.o文件链接进来，下图可以发现hello.c文件中使用了printf函数，那么程序就会将静态库libc.a中的printf.o、vprintf.o、stdio.o链接进来

静态链接的优缺点

静态链接的优点就是将可执行文件所需的.o文件全部链接进来，因此可执行文件从一开始就具备所有其执行的所需的目标文件，执行速率就很快，而缺点也很明显，就是目标文件被拷贝了太多份，虽然上面这个例子只有hello.c文件调用了printf函数，但是实际应用中，如果有多个源文件调用了printf函数，那么printf.o文件将被拷贝多次，这是非常耗费内存的

动态链接

概述

为了解决静态链接的不足，而产生了动态链接，动态链接与静态链接不同，它是在执行程序时才建立链接，比如说有a和b两个文件需要c目标文件，静态链接会将c目标文件拷贝两份分给a和b链接，形成两个独立的模块，但是动态链接则是先将a和c链接，然后当b运行时将c的地址映射给b，这样就可以减少内存

举个例子吧

//a.c
 #include "Lib.h"
 int main()
 {
     foobar(1);
     return 0;
 }
 ​
 //b.c
 #include "Lib.h"
 int main()
 {
     foobar(2);
     return 0;
 }
 ​
 //c.h
 #ifndef LIB_H //条件编译，主要应用于不同源文件声明同一头文件，避免声明冲突
 #define LIB_H //定义标识，标识名可以随意
 void foobar(int i);
 #endif
 ​
 //c.c
 #include <stdio.h>
 void foobar(int i)
 {
     printf("Printing from Lib.so %d\n", i);
 }

可以看到a和b都用到了c的foobar函数，动态链接中可以将c文件共享，但是要注意这里共享并不是完全共享，实际上只有代码段是共享的，而数据段仍然是拷贝的，这是因为不同文件对数据的修改不同，需要将数据拷贝多份，但是代码段之所以能够被共享，是因为代码段只有可读权限，不可修改，实际上这也说明了动态链接的核心问题：如何重定位，实际上，在静态链接中，我们提到过在静态链接中，会先进行符号解析，建立定义与引用的关联后，合并符号表并且重定位，但是重定位就意味着要修改代码段，这是违背动态链接的，因此就有了got

got和plt

got表和plt表分别针对了变量和函数的引用，先来说说GOT表，之前说过代码是共享的，数据是私人的，也就是说代码不可被修改，但是数据是通过拷贝人手一份的，因此GOT表正是通过修改数据段来实现代码段的重定位的，这就是地址无关代码（PIC），GOT表的本质是一个指针数组，它的表项是一个4字节的指针，在编译阶段GOT表的内容为空，当动态链接时，GOT表的内容就会变成引用的符号的真实地址，从而实现指令的重定位

然后再谈谈plt表，可以设想一下，当程序运行时，需要将所有引用符号和函数名重定位，这毫无疑问是时间花费巨大，因此产生plt表，其作用是只有当函数被调用时才会进行重定位，plt表的工作流程分为四步：

• 指令跳转到 plt 表

• plt 表判断其对应的 got 表项是否已经被重定位

• 如果重定位完成，plt 代码跳转到目标地址执行

• 如果未重定位，调用动态链接器为当前的引用进行重定位，重定位完成之后再跳转

  参考博客

https://zhuanlan.zhihu.com/p/317478523  #静态链接
 https://zhuanlan.zhihu.com/p/319784776  #动态链接
 https://zhuanlan.zhihu.com/p/363489654  #got和plt
 https://www.cnblogs.com/cyyljw/p/10949660.html  #静态链接与动态链接的区别与优缺点
 https://blog.csdn.net/kang___xi/article/details/79571137  #编译链接过程的基本概念
 https://www.jianshu.com/p/bda60193808d   #符号和符号表
 https://zhuanlan.zhihu.com/p/166219554 #编译原理