GCC编译C:C++的四个过程

• 前言
  • 阶段
  • gcc 选项
  • 文件类型
• 1 GCC编译C/C++的四个过程
  • 1.1 预处理
  • 1.2 编译阶段
  • 1.3 汇编阶段
  • 1.4 链接阶段
    • 静态链接
    • 动态链接
• 2 clang 分四步编译main.c
  • 2.1 预处理
  • 2.2 编译阶段，生成汇编
  • 2.3 汇编阶段，生成目标文件
  • 2.4 连接阶段
  • 2.5 执行
  • 2.6 源文件
  • 2.7 四部曲之一步到胃
  • 2.8 产生中间文件
  • 2.9 不保存中间文件
• 3 案例
  • 预处理
  • 编译
  • 汇编
  • 连接

前言

从源码到可执行程序，经历四个过程：预处理、编译、汇编和链接，前三步由使用编译器来完成、链接由链接来完成。

• 编译器将编译工作主要分为预处理,编译和汇编三部
• 连接器的工作是把各个独立的模块链接为可执行程序
• 静态链接在编译期完成,动态链接在运行期完成

阶段

阶段名	生成文件类型
预处理（-E）	生成 .i文件
编译（-S）	生成 .s 文件
汇编（-c）	生层 .o 文件
连接（-l）	生成 可执行 文件

gcc 选项

选项	含义
-v	查看编译器的版本，像是 gcc 执行时的详细过程
-o <file>	输出名为 file 的文件，这个不能与源文件名称相同
-E	只预处理，不会编译、汇编、链接
-S	只编译，不会汇编、链接
-c	只编译和汇编，不会连接

在编译过程中，除非使用了-E、-S、-C选项（或者编译出错阻止了完整的编译过程），否则最后的步骤都是链接

文件类型

编译器支持许多和C语言程序相关的扩展名，对它们的说明如下：

扩展名	说明	后期操作	命令
.c	C程序源代码，在编译之前要先进行预处理。	预处理、编译、汇编	gcc -E test.c -o test.i
.C	**C++**程序源代码，在编译之前要先进行预处理。	预处理、编译、汇编
.cc	**C++**程序源代码，在编译之前要先进行预处理。	预处理、编译、汇编
.cxx	**C++**程序源代码，在编译之前要先进行预处理。	预处理、编译、汇编
.m	OC程序源代码，在编译之前要先进行预处理。	预处理、编译、汇编
.i	C程序预处理输出，可以被编译。可以理解为预处理翻译（interpret）后的文件	编译、汇编	gcc -s test.i -o test.s
.ii	**C++**程序预处理输出，可以被编译。可以理解为预处理翻译（interpret）后的文件	编译、汇编
.h	C程序头文件。（为了节省时间，许多源文件会包含相同的头文件，GCC 允许事先编译好头文件，称为“预编译头文件”，它合适情况下自动被用于编译。）	通常不会出现在命令行
.s	汇编语言。	汇编	gcc -c test.s -o test.o

1 GCC编译C/C++的四个过程

gcc 是 GUN Compiler Collection的缩写。

预处理（pre-processing），E：插入头文件，替换宏，展开宏

gcc -E main.c -o main.i

编译（Compiling）S：编译成汇编

gcc -S main.i –o main.s

汇编（Assembling） c：编译成目标文件

gcc –c main.s –o main.o

链接 （Linking）：链接到库中，变成可执行文件

gcc main.o –o main

./main 

也可以一次性完成:

gcc main.c –o main

但一般情况下生成.o文件比较好，可以重定位文件，让别人使用

1.1 预处理

• 处理所有的注释，以空格代替
• 将所有的#define删除， 并且展开所有的宏定义
• 处理条件编译指令#if, #ifdef, #elif, #else, #endif 处理条件编译指令
• 处理处理#include， 展开（evolve）被包含的文件
• 保留编译器需要使用的#pragma指令

C语言代码在交给编译器之前，会先由预处理器进行一些文本替换方面的操作，例如宏展开、文件包含、删除部分代码等。

在正常的情况下，GCC 不会保留预处理阶段的输出文件，也即 .i 文件。然而，可以利用 -E 选项保留预处理器的输出文件，以用于诊断代码。-E选项指示 GCC 在预处理完毕之后即可停止。

a、默认情况下，预处理器的输出会被导入到标准输出流（也就是控制台）

gcc -E main.c 

b、可以利用-o选项把它导入到某个输出文件

gcc -E main.c -o main.i

或者

 gcc -E main.c > main.i 

表示把预处理的结果导出到 main.i 文件中。

c、使用-C选项阻止预处理器删除源文件和头文件中的注释。

注意，这里是大写的 -C，不是小写的 -c。小写的 -c 表示只编译不链接。

gcc -E -C main.c -o main.i 

对比之前的输出，可以发现，保留愿文件中的注释

1.2 编译阶段

• 对预处理文件进行一系列词法分析,语法分析和语义分析
• 词法分析主要分析关健字,标示符,立即数等是否合法
• 语法分析主要分析表达式是否遵循语法规则
• 语义分析在语法分析的基础上进一步分析表达式是否合法
• 分析结束后进行代码优化生成相应的汇编代码文件

编译器的核心任务是把C程序翻译成机器的汇编语言（assembly language）。

汇编语言是人类可以阅读的编程语言，也是相当接近实际机器码的语言。每种 CPU 架构都有不同的汇编语言。

实际上，GCC 是一个适合多种 CPU 架构的编译器，不会把C程序语句直接翻译成目标机器的汇编语言，而是在输入语言和输出汇编语言之间，利用一个中间语言，称为 RegisterTransfer Language（简称 RTL，寄存器传输语言）。借助于这个抽象层，在任何背景下，编译器可以选择最经济的方式对给定的操作编码。

通常情况下，GCC 把汇编语言输出存储到临时文件中，并且在汇编器执行完后立刻删除它们。但是可以使用-S选项，让编译程序在生成汇编语言输出之后立刻停止,而不删除临时文件。

-S可以理解为**Save或者Stop**，自己的理解仅供参考记忆。

如果没有指定输出文件名，那么采用**-S**选项的 GCC 编译过程会为每个被编译的输入文件生成以.s作为后缀的汇编语言文件。如下例所示：

gcc -S ts.c   

编译器预处理 ts.c，将其翻译成汇编语言，并将结果存储在 ts.s 文件中,可以用文本编辑器察看.

指定输出文件名

gcc -S main.i -o filename.s

1.3 汇编阶段

• 汇编器将汇编代码转变为机器可以执行的指令
• 每个汇编语句几乎都对应一条机器指令

目标文件是一种中间文件或者临时文件，如果不设置该选项，gcc 一般不会保留目标文件，可执行文件生成完成后就自动删除了。

注意，使用-c选项表示只编译源文件，而不进行链接，因此，对于链接中的错误是无法发现的。

比如，调用一个不存在的函数，编译器会提示的错误。但是该命令不会输出错误信息。

gcc -c main.s -o main.o

**-c选项：**只编译不链接，仅生成目标文件。

1.4 链接阶段

gcc main.o -o main.exe

连接器的主要作用是把各个模块之间相互引用的部分处理好,使得各个模块之间能够正确的衔接

静态链接

静态链接使用静态库进行链接，生成的程序包含程序运行所需要的全部库，可以直接运行，不过静态链接生成的程序比较大。

动态链接

动态链接使用动态链接库进行链接，生成的程序在执行的时候需要加载所需的动态库才能运行。

动态链接生成的程序体积较小，但是必须依赖所需的动态库，否则无法执行。

2 clang 分四步编译main.c

这里用的clang/clang++ 分四步编译main.c/main.cpp文件

2.1 预处理

clang++ -E main.cpp -o main.ii

2.2 编译阶段，生成汇编

clang++ -S main.ii -o main.s 

2.3 汇编阶段，生成目标文件

 clang++ -c main.s -o mian.o

2.4 连接阶段

 clang++ mian.o -o main

2.5 执行

 ./main

2.6 源文件

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello Biter !" << std::endl;
    return 0;
}

2.7 四部曲之一步到胃

clang++在编译的过程中，保存所有编译过程中产生的文件

2.8 产生中间文件

 clang++ -save-temps main.cpp -o main

2.9 不保存中间文件

 clang++  main.cpp -o main

3 案例

• 头文件

//
// Created by langkechanxin on 2021/1/7.
//

#define MAX(a,b) (((a)>(b)) ? (a) : (b))

int g_global = 10;

• 源文件

//
// Created by langkechanxin on 2021/1/7.
//
#include "test.h"

#define LOW  0
#define HIGH 255

int max(int a, int b)
{
    return MAX(a,b);
}

int main()
{

    int c = max(LOW, HIGH); // Call max to get the larger number

    return 0;
}

预处理

gcc -E test.c -o test.i

编译

gcc -S test.i -o test.s

汇编

gcc -c test.s -o test.o

此时，借助 -c选项，生成的中间产物 test.o ，此文件为二级制文件， 通过 ls -l命令查看一下文件大小：

-rw-r--r-- 1 binny staff 912B Jan 7 15:41 test.o

借助二进制文件查看器，比如 UltraEdit 可以查看到地址范围：00000000h - 00000390（不包含）这是下一个字节的地址编号。一共 390hB=912B.

连接