gcc编译背后(第一部分:预处理和编译)

本是古典何须时尚 2021-12-02 00:38 412阅读 0赞

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 
 
     这个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\\n"); 
 \#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][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.hemee.com_kfyy_c_6626.html] 
 [http://www.91linux.com/html/article/program/cpp/20071203/8745.html][http_www.91linux.com_html_article_program_cpp_20071203_8745.html] 
 [http://www.janker.org/bbs/programmer/2006-10-13/327.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。 
 
     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。 
 
 
 
 <table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td align="left">Quote:</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> $ cat hello.c #include &lt;stdio.h&gt; int main() { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; printf("hello, world\n") &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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&nbsp; #include &lt;stdio.h&gt; int main() { &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; printf("hello, world\n"); &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int i; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; return 0; }&nbsp; $ gcc -std=c89 -pedantic-errors hello.c&nbsp;&nbsp;&nbsp; #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 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
     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， 
 
 
 
 <table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td align="left">Quote:</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> $ gcc -o hello hello.c&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #采用默认选项，不优化 $ gcc -O2 -o hello2 hello.c&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #优化等次是2 $ gcc -Os -o hellos hello.c&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #优化目标代码的大小 $ ls -S hello hello2 hellos&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #可以看到，hellos比较小,hello2比较大 hello2&nbsp; hello&nbsp; hellos $ time ./hello hello, world real&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.001s user&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s sys&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s $ time ./hello2&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #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&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.001s user&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s sys&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s $ time ./hellos&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #虽然目标代码小了，但是执行效率慢了些 hello, world real&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.002s user&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s sys&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0m0.000s </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
     根据上面的简单演示，可以看出gcc有很多不同的优化选项，主要看用户的需求了，目标代码的大小和效率之间貌似存在一个“纠缠”，需要开发人员自己权衡。 
 
     下面我们通过-S选项来看看编译出来的中间结果，汇编语言，还是以之前那个hello.c为例。 
 
 
 <table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td align="left">Quote:</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> $ gcc -S hello.c&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; #默认输出是hello.s，可自己指定，输出到屏幕-o -，输出到其他文件-o file $ cat hello.s cat hello.s &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .file&nbsp;&nbsp; "hello.c" &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .section&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .rodata .LC0: &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .string "hello, world" &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .text .globl main &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .type&nbsp;&nbsp; main, @function main: &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; leal&nbsp;&nbsp;&nbsp; 4(%esp), %ecx &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; andl&nbsp;&nbsp;&nbsp; $-16, %esp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pushl&nbsp;&nbsp; -4(%ecx) &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pushl&nbsp;&nbsp; %ebp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; movl&nbsp;&nbsp;&nbsp; %esp, %ebp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pushl&nbsp;&nbsp; %ecx &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; subl&nbsp;&nbsp;&nbsp; $4, %esp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; movl&nbsp;&nbsp;&nbsp; $.LC0, (%esp) &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; call&nbsp;&nbsp;&nbsp; puts &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; movl&nbsp;&nbsp;&nbsp; $0, %eax &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; addl&nbsp;&nbsp;&nbsp; $4, %esp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; popl&nbsp;&nbsp;&nbsp; %ecx &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; popl&nbsp;&nbsp;&nbsp; %ebp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; leal&nbsp;&nbsp;&nbsp; -4(%ecx), %esp &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; ret &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .size&nbsp;&nbsp; main, .-main &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .ident&nbsp; "GCC: (GNU) 4.1.3 20070929 (prerelease) (Ubuntu 4.1.2-16ubuntu2)" &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .section&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; .note.GNU-stack,"",@progbits </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 
 
     不知道看出来没？和我们在课堂里学的intel的汇编语法不太一样，这里用的是AT&T语法格式。如果之前没接触过AT&T的，可以看看 参考资料\[2\]。如果想学习Linux下的汇编语言开发，从下一节开始哦，下一节开始的所有章节基本上覆盖了Linux下汇编语言开发的一般过程，不过这 里不介绍汇编语言语法。 
 
     这里需要补充的是，在写C语言代码时，如果能够对编译器比较熟悉（工作原理和一些细节）的话，可能会很有帮助。包括这里的优化选项(有些优化选项可能在汇 编时采用)和可能的优化措施，例如字节对齐(可以看看这本书"Linux\_Assembly\_Language\_Programming"的第六小节)、 条件分支语句裁减(删除一些明显分支)等。 
 
 本节参考资料 
 
 \[1\] Guide to Assembly Language Programming in Linux(pdf教程，社区有下载) 
 [http://oss.lzu.edu.cn/modules/wfdownloads/singlefile.php?cid=5&lid=94][http_oss.lzu.edu.cn_modules_wfdownloads_singlefile.php_cid_5_lid_94] 
 \[2\] Linux汇编语言开发指南（在线）： 
 [http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-assembly/index.html][http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_l-assembly_index.html] 
 \[3\] PowerPC 汇编 
 [http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/hardware/ppc/assembly/index.html][http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_hardware_ppc_assembly_index.html] 
 \[4\] 用于 Power 体系结构的汇编语言 
 [http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-powasm1.html][http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_l-powasm1.html] 
 \[5\] Linux Assembly HOWTO 
 [http://mirror.lzu.edu.cn/tldp/HOWTO/Assembly-HOWTO/][http_mirror.lzu.edu.cn_tldp_HOWTO_Assembly-HOWTO] 
 \[6\] Linux 中 x86 的内联汇编 
 [http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/assemble/inline/index.html][http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_sdk_assemble_inline_index.html] 
 \[7\] Linux Assembly Language Programming 
 [http://mirror.lzu.edu.cn/doc/incoming/ebooks/linux-unix/Linux\_EN\_Original\_Books][http_mirror.lzu.edu.cn_doc_incoming_ebooks_linux-unix_Linux_EN_Original_Books]
 * 
 
 * 
 
 * 文章转载自:[http://www.cppblog.com/cuijixin/archive/2008/03/14/44459.html][http_www.cppblog.com_cuijixin_archive_2008_03_14_44459.html]

[http_www.bc-cn.net_Article_kfyy_cyy_jc_200409_9.html]: http://www.bc-cn.net/Article/kfyy/cyy/jc/200409/9.html
[http_www.hemee.com_kfyy_c_6626.html]: http://www.hemee.com/kfyy/c/6626.html
[http_www.91linux.com_html_article_program_cpp_20071203_8745.html]: http://www.91linux.com/html/article/program/cpp/20071203/8745.html
[http_www.janker.org_bbs_programmer_2006-10-13_327.html]: http://www.janker.org/bbs/programmer/2006-10-13/327.html
[http_oss.lzu.edu.cn_modules_wfdownloads_singlefile.php_cid_5_lid_94]: http://oss.lzu.edu.cn/modules/wfdownloads/singlefile.php?cid=5&lid=94
[http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_l-assembly_index.html]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-assembly/index.html
[http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_hardware_ppc_assembly_index.html]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/hardware/ppc/assembly/index.html
[http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_l-powasm1.html]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-powasm1.html
[http_mirror.lzu.edu.cn_tldp_HOWTO_Assembly-HOWTO]: http://mirror.lzu.edu.cn/tldp/HOWTO/Assembly-HOWTO/
[http_www.ibm.com_developerworks_cn_linux_sdk_assemble_inline_index.html]: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/assemble/inline/index.html
[http_mirror.lzu.edu.cn_doc_incoming_ebooks_linux-unix_Linux_EN_Original_Books]: http://mirror.lzu.edu.cn/doc/incoming/ebooks/linux-unix/Linux_EN_Original_Books
[http_www.cppblog.com_cuijixin_archive_2008_03_14_44459.html]: http://www.cppblog.com/cuijixin/archive/2008/03/14/44459.html