C/C++程式從編譯到最終生成可執行檔案的過程分析
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電子計算機所使用的是由“0”和“1”組成的二進位制數，二進位制是計算機的語言的基礎。計算機發明之初，人們只能降貴紆尊，用計算機的語言去命令計算機幹這幹那，一句話，就是寫出一串串由“0”和“1”組成的指令序列交由計算機執行，這種語言，就是機器語言。想象一下老前輩們在打孔機面前數著一個一個孔的情景，噓，小聲點，你的驚嚇可能使他們錯過了一個孔，結果可能是導致一艘飛船飛離軌道阿。
為了減輕使用機器語言程式設計的痛苦，人們進行了一種有益的改進：用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定的指令的二進位制串，比如，用“A D D”代表加法，“M O V”代表資料傳遞等等，這樣一來，人們很容易讀懂並理解程式在幹什麼，糾錯及維護都變得方便了，這種程式設計語言就稱為組合語言，即第二代計算機語言。然而計算機是不認識這些符號的，這就需要一個專門的程式，專門負責將這些符號翻譯成二進位制數的機器語言，這種翻譯程式被稱為彙編程式。因為彙編指令和機器語言之間有著一一對應的關係，這可比英譯漢或漢譯英簡單多了。
高階語言是偏向人，按照人的思維方式設計的，機器對這些可是莫名奇妙，不知所謂。魚與熊掌的故事在計算機語言中發生了。於是必須要有一個橋樑來銜接兩者，造橋可不是一件簡單的事情。當你越想方便，那橋就得越複雜。那高階語言是如何變成機器語言的呢，這個過程讓我慢慢道來。
編譯：將原始碼轉換為機器可認識程式碼的過程。編譯程式讀取源程式（字元流），對之進行詞法和語法的分析，將高階語言指令轉換為功能等效的彙編程式碼，再由彙編程式轉換為機器語言，並且按照作業系統對可執行檔案格式的要求連結生成可執行程式。
C源程式－>編譯預處理－>編譯－>優化程式－>彙編程式－>連結程式－>可執行檔案
1.編譯預處理 讀取c源程式，對其中的偽指令（以#開頭的指令）和特殊符號進行處理。
偽指令主要包括以下四個方面
（1）巨集定義指令，如# define Name TokenString,#undef等。對於前一個偽指令，預編譯所要作得的是將程式中的所有Name用TokenString替換，但作為字串常量的Name則不被替換。對於後者，則將取消對某個巨集的定義，使以後該串的出現不再被替換。
（2）條件編譯指令，如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。這些偽指令的引入使得程式設計師可以通過定義不同的巨集來決定編譯程式對哪些程式碼進行處理。預編譯程式將根據有關的檔案，將那些不必要的程式碼過濾掉。
（3）標頭檔案包含指令，如#include "FileName"或者#include <FileName>等。在標頭檔案中一般用偽指令#define定義了大量的巨集（最常見的是字元常量），同時包含有各種外部符號的宣告。採用標頭檔案的目的主要是為了使某些定義可以供多個不同的C源程式使用。因為在需要用到這些定義的C源程式中，只需加上一條#include語句即可，而不必再在此檔案中將這些定義重複一遍。預編譯程式將把標頭檔案中的定義統統都加入到它所產生的輸出檔案中，以供編譯程式對之進行處理。
包含到c源程式中的標頭檔案可以是系統提供的，這些標頭檔案一般被放在/usr/include目錄下。在程式中#include它們要使用尖括號（<>）。另外開發人員也可以定義自己的標頭檔案，這些檔案一般與c源程式放在同一目錄下，此時在#include中要用雙引號（""）。
（4）特殊符號，預編譯程式可以識別一些特殊的符號。例如在源程式中出現的LINE標識將被解釋為當前行號（十進位制數），FILE則被解釋為當前被編譯的C源程式的名稱。預編譯程式對於在源程式中出現的這些串將用合適的值進行替換。
預編譯程式所完成的基本上是對源程式的“替代”工作。經過此種替代，生成一個沒有巨集定義、沒有條件編譯指令、沒有特殊符號的輸出檔案。這個檔案的含義同沒有經過預處理的原始檔是相同的，但內容有所不同。下一步，此輸出檔案將作為編譯程式的輸出而被翻譯成為機器指令。
2.編譯階段
經過預編譯得到的輸出檔案中，將只有常量。如數字、字串、變數的定義，以及C語言的關鍵字，如main,if,else,for,while,{,},+,-,*,\，等等。預編譯程式所要作得工作就是通過詞法分析和語法分析，在確認所有的指令都符合語法規則之後，將其翻譯成等價的中間程式碼表示或彙編程式碼。
3.優化階段
優化處理是編譯系統中一項比較艱深的技術。它涉及到的問題不僅同編譯技術本身有關，而且同機器的硬體環境也有很大的關係。優化一部分是對中間程式碼的優化。這種優化不依賴於具體的計算機。另一種優化則主要針對目的碼的生成而進行的。上圖中，我們將優化階段放在編譯程式的後面，這是一種比較籠統的表示。
對於前一種優化，主要的工作是刪除公共表示式、迴圈優化（程式碼外提、強度削弱、變換迴圈控制條件、已知量的合併等）、複寫傳播，以及無用賦值的刪除，等等。
後一種型別的優化同機器的硬體結構密切相關，最主要的是考慮是如何充分利用機器的各個硬體暫存器存放的有關變數的值，以減少對於記憶體的訪問次數。另外，如何根據機器硬體執行指令的特點（如流水線、RISC、CISC、VLIW等）而對指令進行一些調整使目的碼比較短，執行的效率比較高，也是一個重要的研究課題。
經過優化得到的彙編程式碼必須經過彙編程式的彙編轉換成相應的機器指令，方可能被機器執行。
4.彙編過程
彙編過程實際上指把組合語言程式碼翻譯成目標機器指令的過程。對於被翻譯系統處理的每一個C語言源程式，都將最終經過這一處理而得到相應的目標檔案。目標檔案中所存放的也就是與源程式等效的目標的機器語言程式碼。
目標檔案由段組成。通常一個目標檔案中至少有兩個段：
程式碼段 該段中所包含的主要是程式的指令。該段一般是可讀和可執行的，但一般卻不可寫。
資料段 主要存放程式中要用到的各種全域性變數或靜態的資料。一般資料段都是可讀，可寫，可執行的。
UNIX環境下主要有三種類型的目標檔案：
（1）可重定位檔案 其中包含有適合於其它目標檔案連結來建立一個可執行的或者共享的目標檔案的程式碼和資料。
（2）共享的目標檔案 這種檔案存放了適合於在兩種上下文裡連結的程式碼和資料。第一種事連結程式可把它與其它可重定位檔案及共享的目標檔案一起處理來建立另一個目標檔案；第二種是動態連結程式將它與另一個可執行檔案及其它的共享目標檔案結合到一起，建立一個程序映象。
（3）可執行檔案 它包含了一個可以被作業系統建立一個程序來執行之的檔案。
彙編程式生成的實際上是第一種型別的目標檔案。對於後兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個就是連結程式的工作了。
5.連結程式
由彙編程式生成的目標檔案並不能立即就被執行，其中可能還有許多沒有解決的問題。例如，某個原始檔中的函式可能引用了另一個原始檔中定義的某個符號（如變數或者函式呼叫等）；在程式中可能呼叫了某個庫檔案中的函式，等等。所有的這些問題，都需要經連結程式的處理方能得以解決。
連結程式的主要工作就是將有關的目標檔案彼此相連線，也即將在一個檔案中引用的符號同該符號在另外一個檔案中的定義連線起來，使得所有的這些目標檔案成為一個能夠被作業系統裝入執行的統一整體。
根據開發人員指定的同庫函式的連結方式的不同，連結處理可分為兩種：
（1）靜態連結 在這種連結方式下，函式的程式碼將從其所在地靜態連結庫中被拷貝到最終的可執行程式中。這樣該程式在被執行時這些程式碼將被裝入到該程序的虛擬地址空間中。靜態連結庫實際上是一個目標檔案的集合，其中的每個檔案含有庫中的一個或者一組相關函式的程式碼。
（2）動態連結 在此種方式下，函式的程式碼被放到稱作是動態連結庫或共享物件的某個目標檔案中。連結程式此時所作的只是在最終的可執行程式中記錄下共享物件的名字以及其它少量的登記資訊。在此可執行檔案被執行時，動態連結庫的全部內容將被對映到執行時相應程序的虛地址空間。動態連結程式將根據可執行程式中記錄的資訊找到相應的函式程式碼。
對於可執行檔案中的函式呼叫，可分別採用動態連結或靜態連結的方法。使用動態連結能夠使最終的可執行檔案比較短小，並且當共享物件被多個程序使用時能節約一些記憶體，因為在記憶體中只需要儲存一份此共享物件的程式碼。但並不是使用動態連結就一定比使用靜態連結要優越。在某些情況下動態連結可能帶來一些效能上損害。
經過上述五個過程，C源程式就最終被轉換成可執行檔案了
上一節我們介紹了程式語言的種類，其中包括機器語言、組合語言和高階語言。
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| C/C++程式編譯步驟詳解 |
| 來源: ChinaUnix部落格 日期： 2007.04.24 07:30 (共有0條評論) 我要評論 |
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