有位學(xué)弟想讓我說說編譯和鏈接的簡單過程,，我覺得幾句話簡單說的話也沒什么意思，索性寫篇博文稍微詳細(xì)的解釋一下吧,。其實(shí)詳細(xì)的流程在經(jīng)典的《Linkers and Loaders》和《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》中均有描述,，也有國產(chǎn)的諸如《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載與庫》等大牛著作,。不過,，我想大家恐怕很難有足夠的時(shí)間去研讀這些厚如詞典的書籍。正巧我大致翻閱過其中的部分章節(jié),，干脆也融入這篇文章作為補(bǔ)充吧,。

我的環(huán)境：Fedora 16 i686 kernel-3.6.11-4 gcc 4.6.3

其實(shí)MSVC的編譯器在編譯過程中的流程是差不多的，只是具體調(diào)用的程序和使用的參數(shù)不同罷了,。不過為了描述的流暢性,，我在行文中不會(huì)涉及MSVC的具體操作，使用Windows的同學(xué)可以自行搜索相關(guān)指令和參數(shù),。但是作為Linuxer,，我還是歡迎大家使用Linux系統(tǒng)。如果大家確實(shí)需要,，我會(huì)擠時(shí)間在附言中給出MSVC中相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法,。

閑話不多說了，我們進(jìn)入正題,。在正式開始我們的描述前,，我們先來引出幾個(gè)問題：

1. C語言代碼為什么要編譯后才能執(zhí)行？整個(gè)過程中編譯器都做了什么,？
2. C代碼中經(jīng)常會(huì)包含頭文件,，那頭文件是什么？C語言庫又是什么,？
3. 有人說main函數(shù)是C語言程序的入口,，是這樣嗎？難道就不能把其它函數(shù)當(dāng)入口,？
4. 不同的操作系統(tǒng)上編譯好的程序可以直接拷貝過去運(yùn)行嗎,？

如果上面的問題你都能回答的話，那么后文就不用再看下去了,。因?yàn)楸疚氖羌兇獾拿嫦蛐率?，所以注定了不?huì)寫的多么詳細(xì)和深刻。如果你不知道或者不是很清楚,，那么我們就一起繼續(xù)研究吧,。

我們就以最經(jīng)典的HelloWorld程序?yàn)槔_始吧,。我們先使用vim等文本編輯器寫好代碼,，接著在終端執(zhí)行命令 gcc HelloWorld.c -o HelloWorld 輸出了可執(zhí)行文件HelloWorld,，最后我們?cè)诮K端執(zhí)行 ./HelloWorld，順利地顯示了輸出結(jié)果,。

可是,，簡單的命令背后經(jīng)過了什么樣的處理過程呢？gcc真的就“直接”生成了最后的可執(zhí)行文件了嗎,？當(dāng)然不是,，我們?cè)趃cc編譯命令行加上參數(shù) –verbose要求gcc輸出完整的處理過程(命令行加上 -v 也行)，我們看到了一段較長的過程輸出,。

輸出結(jié)果我們就不完整截圖了,，大家有興趣可以自己試驗(yàn)然后試著分析整個(gè)流程。

一圖勝千言,，我們先上一張圖吧,。這是gcc編譯過程的分解圖，我在網(wǎng)上找不到滿意的,，就自己畫了一張簡單的,，大家將就著看吧。

從圖中我們大致可以看出gcc處理HelloWorld.c的大致過程：

預(yù)處理(Prepressing)—>編譯(Compilation)—>匯編(Assembly)—>鏈接(Linking)

括號(hào)中我注明了各個(gè)過程中實(shí)際執(zhí)行任務(wù)的程序名稱：預(yù)處理器cpp,、編譯器cc1,、匯編器as以及最后的鏈接器ld。

我們一步一步來看,，首先是預(yù)處理,，我們看看預(yù)處理階段對(duì)代碼進(jìn)行了哪些處理。

我們?cè)诮K端輸入指令 gcc -E HelloWorld.c -o HelloWorld.i,，然后我們打開輸出文件,。

首先是大段大段的變量和函數(shù)的聲明，汗..我們的代碼哪里去了,？我們?cè)趘im的普通模式中按下shift+g(大寫G)來到最后,，終于在幾千行以后看到了我們可憐兮兮的幾行代碼。

前面幾千行是什么呢,？其實(shí)它就是 /usr/include/stdio.h 文件的所有內(nèi)容,，預(yù)處理器把所有的#include替換為實(shí)際文件的內(nèi)容了。這個(gè)過程是遞歸進(jìn)行的,，所以stdio.h里面的#include也被實(shí)際內(nèi)容所替換了,。

而且我在HelloWorld.c里面的所有注釋被預(yù)處理器全部刪除了。就連printf語句前的Tab縮進(jìn)也被替換為一個(gè)空格了,，顯得代碼都不美觀了,。

時(shí)間關(guān)系,，我們就不一一試驗(yàn)處理的內(nèi)容了，我直接給出預(yù)處理器處理的大致范圍吧,。

• 展開所有的宏定義并刪除 #define
• 處理所有的條件編譯指令,，例如 #if #else #endif #ifndef …
• 把所有的 #include 替換為頭文件實(shí)際內(nèi)容，遞歸進(jìn)行
• 把所有的注釋 // 和 / / 替換為空格
• 添加行號(hào)和文件名標(biāo)識(shí)以供編譯器使用
• 保留所有的 #pragma 指令,，因?yàn)榫幾g器要使用
  ……

基本上就是這些了,。在這里我順便插播一個(gè)小技巧，在代碼中有時(shí)候宏定義比較復(fù)雜的時(shí)候我們很難判斷其處理后的結(jié)構(gòu)是否正確,。這個(gè)時(shí)候我們呢就可以使用gcc的-E參數(shù)輸出處理結(jié)果來判斷了,。

前文中我們提到了頭文件中放置的是變量定義和函數(shù)聲明等等內(nèi)容。這些到底是什么東西呢,？其實(shí)在比較早的時(shí)候調(diào)用函數(shù)并不需要聲明,，后來因?yàn)椤肮P誤”之類的錯(cuò)誤實(shí)在太多，造成了鏈接期間的錯(cuò)誤過多,，所有編譯器開始要求對(duì)所有使用的變量或者函數(shù)給出聲明,，以支持編譯器進(jìn)行參數(shù)檢查和類型匹配。頭文件包含的基本上就是這些東西和一些預(yù)先的宏定義來方便程序員編程,。其實(shí)對(duì)于我們的HelloWorld.c程序來說不需要這個(gè)龐大的頭文件,，只需要在main函數(shù)前聲明printf函數(shù)，不需要#include即可通過編譯,。

聲明如下：

1

int printf(const char *format, ...);

這個(gè)大家就自行測(cè)試吧,。另外再補(bǔ)充一點(diǎn)，gcc其實(shí)并不要求函數(shù)一定要在被調(diào)用之前定義或者聲明（MSVC不允許）,，因?yàn)間cc在處理到某個(gè)未知類型的函數(shù)時(shí),，會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)隱式聲明，并假設(shè)該函數(shù)返回值類型為int,。但gcc此時(shí)無法檢查傳遞給該函數(shù)的實(shí)參類型和個(gè)數(shù)是否正確,，不利于編譯器為我們排除錯(cuò)誤（而且如果該函數(shù)的返回值不是int的話也會(huì)出錯(cuò)）。所以還是建議大家在函數(shù)調(diào)用前,，先對(duì)其定義或聲明,。

預(yù)處理部分說完了，我們接著看編譯和匯編,。那么什么是編譯,？一句話描述：編譯就是把預(yù)處理之后的文件進(jìn)行一系列詞法分析、語法分析,、語義分析以及優(yōu)化后生成的相應(yīng)匯編代碼文件,。這一部分我們不能展開說了，一來我沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過編譯原理的內(nèi)容不敢信口開河，二來這部分要是展開去說需要很厚很厚的一本書了,，細(xì)節(jié)大家就自己學(xué)習(xí)《編譯原理》吧,，相關(guān)的資料自然就是經(jīng)典的龍書、虎書和鯨書了,。

gcc怎么查看編譯后的匯編代碼呢,？命令是 gcc -S HelloWorld.c -o HelloWorld.s，這樣輸出了匯編代碼文件HelloWorld.s,，其實(shí)輸出的文件名可以隨意,，我是習(xí)慣使然。順便說一句,，這里生成的匯編是AT&T風(fēng)格的匯編代碼，如果大家更熟悉Intel風(fēng)格,，可以在命令行加上參數(shù) -masm=intel ,這樣gcc就會(huì)生成Intel風(fēng)格的匯編代碼了（如圖,，這個(gè)好多人不知道哦）。不過gcc的內(nèi)聯(lián)匯編只支持AT&T風(fēng)格,，大家還是找找資料學(xué)學(xué)AT&T風(fēng)格吧,。

再下來是匯編步驟，我們繼續(xù)用一句話來描述：匯編就是將編譯后的匯編代碼翻譯為機(jī)器碼,，幾乎每一條匯編指令對(duì)應(yīng)一句機(jī)器碼,。

這里其實(shí)也沒有什么好說的了，命令行 gcc -c HelloWorld.c 可以讓編譯器只進(jìn)行到生成目標(biāo)文件這一步,，這樣我們就能在目錄下看到HelloWorld.o文件了,。

Linux下的可執(zhí)行文件以及目標(biāo)文件的格式叫作ELF(Executable Linkable Format)。其實(shí)Windows下的PE(Portable Executable)也好,，ELF也罷,，都是COFF(Common file format)格式的一種變種，甚至Windows下的目標(biāo)文件就是以COFF格式去存儲(chǔ)的,。不同的操作系統(tǒng)之間的可執(zhí)行文件的格式通常是不一樣的,，所以造成了編譯好的HelloWorld沒有辦法直接復(fù)制執(zhí)行，而需要在相關(guān)平臺(tái)上重新編譯,。當(dāng)然了,，不能運(yùn)行的原因自然不是這一點(diǎn)點(diǎn)，不同的操作系統(tǒng)接口（windows API和Linux的System Call）以及相關(guān)的類庫不同也是原因之一,。

由于本文的讀者定位,，我們不能詳細(xì)展開說了，有相關(guān)需求的同學(xué)可以去看《Windows PE權(quán)威指南》和《程序員的自我修養(yǎng)》去詳細(xì)了解,。

我們接下來看最后的鏈接過程,。這一步是將匯編產(chǎn)生的目標(biāo)文件和所使用的庫函數(shù)的目標(biāo)文件鏈接生成一個(gè)可執(zhí)行文件的過程。我想在這里稍微的擴(kuò)展一下篇幅,，稍微詳細(xì)的說一說鏈接,，一來這里造成的錯(cuò)誤通常難以理解和處理,，二來使用第三方庫在開發(fā)中越來越常見了，想著大家可能更需要稍微了解一些細(xì)節(jié)了,。

我們先介紹gnu binutils工具包,，這是一整套的二進(jìn)制分析處理工具包。詳細(xì)介紹請(qǐng)大家參考喂雞百科：http://zh./wiki/GNU_Binutils

我的fedora已經(jīng)自帶了這套工具包,，如果你的發(fā)行版沒有,，請(qǐng)自行搜索安裝方法。

這套工具包含了足夠多的工具,，我們甚至可以用來研究ELF文件的格式等內(nèi)容,。不過本文只是拋磚引玉，更多的使用方法和技巧還是需要大家自己去學(xué)習(xí)和研究,。

由于時(shí)間關(guān)系,，上篇到此就告一段落了，我們的問題2和3還沒有給出完整的答案,，而且鏈接還沒有詳細(xì)去解釋和說明,。這些內(nèi)容我們將在下篇中解決，當(dāng)然,，大家也可以先行研究,，到時(shí)候我們相互學(xué)習(xí)補(bǔ)充。

另外,，上文部分內(nèi)容因?yàn)榭紤]到讀者基礎(chǔ),，所以行文力求簡明易懂，部分描述并不嚴(yán)密且有部分刻意的簡化和保留,。