C/C++程序编译步骤详解

C/C++程序编译步骤详解

C/C++语言很多人都比较熟悉，这基本上是每位大学生必学的一门编程语言，通常还都是作为程序设计入门语言学的，并且课程大多安排在大一。刚上大学，孩子们还都很乖，学习也比较认真，用心。所以，C/C++语言掌握地也都不错，不用说编译程序，就是写个上几百行的程序都不在话下，但是他们真的知道C/C++程序编译的步骤么？

我想很多人都不甚清楚，如果他接下来学过“编译原理”，也许能说个大概。VC的“舒适”开发环境屏蔽了很多编译的细节，这无疑降低了初学者的入门门槛，但是也“剥夺”了他们“知其所以然”的权利，致使很多东西只能死记硬背，遇到相关问题就“丈二”。实际上，我也是在学习Linux环境下编程的过程中才逐渐弄清楚C/C++源代码是如何一步步变成可执行文件的。

总体来说，C/C++源代码要经过：预处理、编译、汇编和连接四步才能变成相应平台下的可执行文件。大多数时候，程序员通过一个命令就能完成上述四个步骤。比如下面这段C的“Hello world！”代码:

File: hw.c

#include stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])

{

        printf("Hello World!\n");

        return 0;

}

如果用gcc编译，只需要一个命令就可以生成可执行文件hw:

xiaosuo@gentux hw $ gcc -o hw hw.c

xiaosuo@gentux hw $ ./hw Hello World! 

我们可以用-v参数来看看gcc到底在背后都做了些什么动作:

Reading specs from /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/specs

Configured with: /var/tmp/portage/sys-devel/gcc-3.4.6-r2/work/gcc-3.4.6/configure --prefix=/usr --bindir=/usr/i686-pc-linux-gnu/gcc-bin/3.4.6 --includedir=/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include --datadir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 --mandir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/man --infodir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/info --with-gxx-include-dir=/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include/g++-v3 --host=i686-pc-linux-gnu --build=i686-pc-linux-gnu --disable-altivec --enable-nls --without-included-gettext --with-system-zlib --disable-checking --disable-werror --enable-secureplt --disable-libunwind-exceptions --disable-multilib --disable-libgcj --enable-languages=c,c++,f77 --enable-shared --enable-threads=posix --enable-__cxa_atexit --enable-clocale=gnu

Thread model: posix

gcc version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10)

/usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/cc1 -quiet -v hw.c -quiet -dumpbase hw.c -mtune=pentiumpro -auxbase hw -version -o /tmp/ccYB6UwR.s

ignoring nonexistent directory "/usr/local/include"

ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/include"

#include "..." search starts here:

#include ...> search starts here:

/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include

/usr/include

End of search list.

GNU C version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10) (i686-pc-linux-gnu)

        compiled by GNU C version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.9).

GGC heuristics: --param ggc-min-expand=81 --param ggc-min-heapsize=97004

/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/bin/as -V -Qy -o /tmp/ccq8uGED.o /tmp/ccYB6UwR.s

GNU assembler version 2.17 (i686-pc-linux-gnu) using BFD version 2.17

/usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o hw /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crt1.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crti.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/lib -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../.. /tmp/ccq8uGED.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crtn.o

稍微整理一下，去掉一些冗余信息后，如下:

cc1 hw.c -o /tmp/ccYB6UwR.s

as -o /tmp/ccq8uGED.o /tmp/ccYB6UwR.s

ld -o hw /tmp/ccq8uGED.o

以上三个命令分别对应于编译步骤中的预处理+编译、汇编和连接。预处理和编译还是放在了一个命令（cc1）中进行的，可以把它再次拆分为以下两步:

cpp -o hw.i hw.c

cc1 hw.i -o /tmp/ccYB6UwR.s

一个精简过的能编译以上hw.c文件的Makefile如下:

.PHONY: clean

all: hw

hw: hw.o

        ld -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o hw /usr/lib/crt1.o \

                /usr/lib/crti.o \

                /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbegin.o \

                hw.o -lc \

                /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o \

                /usr/lib/crtn.o

hw.o: hw.s

        as -o hw.o hw.s

hw.s: hw.i

        /usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/cc1 -o hw.s hw.c

hw.i: hw.c

        cpp -o hw.i hw.c

clean:

        rm -rf hw.i hw.s hw.o

当然，上面Makefile中的一些路径是我系统上的具体情况，你的可能与我的不同。

接下来我们按照编译顺序看看编译器每一步都做了什么。

首先是预处理，预处理后的文件hw.i:

# 1 "hw.c"

# 1 ""

# 1 ""

...

__extension__ typedef __quad_t __off64_t;

__extension__ typedef int __pid_t;

__extension__ typedef struct { int __val[2]; } __fsid_t;

...

extern int remove (__const char *__filename) __attribute__ ((__nothrow__));

extern int rename (__const char *__old, __const char *__new) __attribute__ ((__nothrow__));

...

int main(int argc, char *argv[])

{

printf("Hello World!\n");

return 0;

}

注：由于文件比较大，所以只留下了少部分具有代表性的内容。

可以看见预处理器把所有要包含（include）的文件（包括递归包含的文件）的内容都添加到了原始的C源文件中，然后把其输出到输出文件，除此之外，它还展开了所有的宏定义，所以在预处理器的输出文件中你将找不到任何宏。这也提供了一个查看宏展开结果的简便方法。

第二步“编译”，就是把C/C++代码“翻译”成汇编代码：

.file "hw.c"

        .section .rodata

.LC0:

        .string "Hello World!\n"

        .text

.globl main

        .type main, @function

main:

        pushl %ebp

        movl %esp, %ebp

        subl $8, %esp

        andl $-16, %esp

        movl $0, %eax

        addl $15, %eax

        addl $15, %eax

        shrl $4, %eax

        sall $4, %eax

        subl %eax, %esp

        subl $12, %esp

        pushl $.LC0

        call printf

        addl $16, %esp

        movl $0, %eax

        leave

        ret

        .size main, .-main

        .section .note.GNU-stack,"",@progbits

        .ident "GCC: (GNU) 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10)"

这个汇编文件比预处理后的C/C++文件小了很多，去除了很多不必要的东西，比如说没用到的类型声明和函数声明等。

第三步“汇编”，将第二步输出的汇编代码翻译成符合一定格式的机器代码，在Linux上一般表现为ELF目标文件。

xiaosuo@gentux hw $ file hw.o

hw.o: ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped

最后一步“连接”，将上步生成的目标文件和系统库的目标文件和库文件连接起来，最终生成了可以在特定平台运行的可执行文件。为什么还要连接系统库中的某些目标文件（crt1.o, crti.o等）呢？这些目标文件都是用来初始化或者回收C运行时环境的，比如说堆内存分配上下文环境的初始化等，实际上crt也正是C RunTime的缩写。这也暗示了另外一点：程序并不是从main函数开始执行的，而是从crt中的某个入口开始的，在Linux上此入口是_start。以上Makefile生成的是动态连接的可执行文件，如果要生成静态连接的可执行文件需要将Makefile中的相应段修改：

hw: hw.o

    ld -m elf_i386 -static -o hw /usr/lib/crt1.o \

        /usr/lib/crti.o \

        /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbeginT.o \

        -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 \

        -L/usr/i686-pc-linux-gnu/lib \

        -L/usr/lib/ \

        hw.o --start-group -lgcc -lgcc_eh -lc --end-group \

        /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o \

        /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crtn.o

至此，一个可执行文件才最终创建完成。通常的项目中并不需要把编译过程分得如此之细，前三步一般是合为一体的，在Makefile中表现如下:

hw.o: hw.c

    gcc -o hw.o -c hw.c

实际上，如果对hw.c进行了什么更改，那么前三步大多数情况下都是不可避免的。所以把他们写在一起也并没有什么坏处，相反倒可以用--pipe参数告诉编译器用管道替代临时文件，从而提升编译的效率。