一、概述

C語(yǔ)言的編譯鏈接過(guò)程要把我們編寫的一個(gè)c程序（源代碼）轉(zhuǎn)換成可以在硬件上運(yùn)行的程序（可執(zhí)行代碼），需要進(jìn)行編譯和鏈接。編譯就是把文本形式源代碼翻譯為機(jī)器語(yǔ)言形式的目標(biāo)文件的過(guò)程。鏈接是把目標(biāo)文件、操作系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼和用到的庫(kù)文件進(jìn)行組織形成最終生成可加載、可執(zhí)行代碼的過(guò)程。

過(guò)程圖解如下： 

預(yù)處理器：將.c 文件轉(zhuǎn)化成 .i文件，使用的gcc命令是：gcc –E，對(duì)應(yīng)于預(yù)處理命令cpp；編譯器：將.c/.h文件轉(zhuǎn)換成.s文件，使用的gcc命令是：gcc –S，對(duì)應(yīng)于編譯命令 cc –S；匯編器：將.s 文件轉(zhuǎn)化成 .o文件，使用的gcc 命令是：gcc –c，對(duì)應(yīng)于匯編命令是 as；鏈接器：將.o文件轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行程序，使用的gcc 命令是： gcc，對(duì)應(yīng)于鏈接命令是 ld；加載器：將可執(zhí)行程序加載到內(nèi)存并進(jìn)行執(zhí)行，loader和ld-linux.so。

 

二、編譯過(guò)程

編譯過(guò)程又可以分成兩個(gè)階段：編譯和匯編。

2.1編譯

編譯是指編譯器讀取源程序（字符流），對(duì)之進(jìn)行詞法和語(yǔ)法的分析，將高級(jí)語(yǔ)言指令轉(zhuǎn)換為功能等效的匯編代碼。

源文件的編譯過(guò)程包含兩個(gè)主要階段：

第一個(gè)階段是預(yù)處理階段，在正式的編譯階段之前進(jìn)行。預(yù)處理階段將根據(jù)已放置在文件中的預(yù)處理指令來(lái)修改源文件的內(nèi)容。

主要是以下幾方面的處理：

宏定義指令，如 #define a b 對(duì)于這種偽指令，預(yù)編譯所要做的是將程序中的所有a用b替換，但作為字符串常量的 a則不被替換。還有 #undef，則將取消對(duì)某個(gè)宏的定義，使以后該串的出現(xiàn)不再被替換。條件編譯指令，如#ifdef，#ifndef，#else，#elif，#endif等。 這些偽指令的引入使得程序員可以通過(guò)定義不同的宏來(lái)決定編譯程序?qū)δ男┐a進(jìn)行處理。預(yù)編譯程序?qū)⒏鶕?jù)有關(guān)的文件，將那些不必要的代碼過(guò)濾掉頭文件包含指令，如#include "FileName"或者#include 等。 該指令將頭文件中的定義統(tǒng)統(tǒng)都加入到它所產(chǎn)生的輸出文件中，以供編譯程序?qū)χM(jìn)行處理。特殊符號(hào)，預(yù)編譯程序可以識(shí)別一些特殊的符號(hào)。 例如在源程序中出現(xiàn)的LINE標(biāo)識(shí)將被解釋為當(dāng)前行號(hào)（十進(jìn)制數(shù)），F(xiàn)ILE則被解釋為當(dāng)前被編譯的C源程序的名稱。預(yù)編譯程序?qū)τ谠谠闯绦蛑谐霈F(xiàn)的這些串將用合適的值進(jìn)行替換。

頭文件的目的主要是為了使某些定義可以供多個(gè)不同的C源程序使用，這涉及到頭文件的定位即搜索路徑問(wèn)題。頭文件搜索規(guī)則如下：

所有header file的搜尋會(huì)從-I開(kāi)始然后找環(huán)境變量 C_INCLUDE_PATH,CPLUS_INCLUDE_PATH,OBJC_INCLUDE_PATH指定的路徑再找默認(rèn)目錄(/usr/include、/usr/local/include、/usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/include......)

 

第二個(gè)階段編譯、優(yōu)化階段，編譯程序所要作得工作就是通過(guò)詞法分析和語(yǔ)法分析，在確認(rèn)所有的指令都符合語(yǔ)法規(guī)則之后，將其翻譯成等價(jià)的中間代碼表示或匯編代碼。 

 

2.2匯編

匯編實(shí)際上指匯編器(as)把匯編語(yǔ)言代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器指令的過(guò)程。目標(biāo)文件中所存放的也就是與源程序等效的目標(biāo)的機(jī)器語(yǔ)言代碼。目標(biāo)文件由段組成。通常一個(gè)目標(biāo)文件中至少有兩個(gè)段：

代碼段：該段中所包含的主要是程序的指令。該段一般是可讀和可執(zhí)行的，但一般卻不可寫。數(shù)據(jù)段：主要存放程序中要用到的各種全局變量或靜態(tài)的數(shù)據(jù)。一般數(shù)據(jù)段都是可讀，可寫，可執(zhí)行的。

 

2.3目標(biāo)文件(Executable and Linkable Format)

可重定位(Relocatable)文件：由編譯器和匯編器生成，可以與其他可重定位目標(biāo)文件合并創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行或共享的目標(biāo)文件；共享(Shared)目標(biāo)文件：一類特殊的可重定位目標(biāo)文件，可以在鏈接(靜態(tài)共享庫(kù))時(shí)加入目標(biāo)文件或加載時(shí)或運(yùn)行時(shí)(動(dòng)態(tài)共享庫(kù))被動(dòng)態(tài)的加載到內(nèi)存并執(zhí)行；可執(zhí)行(Executable)文件：由鏈接器生成，可以直接通過(guò)加載器加載到內(nèi)存中充當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行的文件。

 

2.4 靜態(tài)庫(kù)與動(dòng)態(tài)庫(kù)

靜態(tài)庫(kù)（static library）就是將相關(guān)的目標(biāo)模塊打包形成的單獨(dú)的文件。使用ar命令。

靜態(tài)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

程序員不需要顯式的指定所有需要鏈接的目標(biāo)模塊，因?yàn)橹付ㄊ且粋€(gè)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的過(guò)程；鏈接時(shí)，連接程序只從靜態(tài)庫(kù)中拷貝被程序引用的目標(biāo)模塊，這樣就減小了可執(zhí)行文件在磁盤和內(nèi)存中的大小。

動(dòng)態(tài)庫(kù)(dynamic library)是一種特殊的目標(biāo)模塊，它可以在運(yùn)行時(shí)被加載到任意的內(nèi)存地址，或者是與任意的程序進(jìn)行鏈接。

動(dòng)態(tài)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

更新動(dòng)態(tài)庫(kù)，無(wú)需重新鏈接；對(duì)于大系統(tǒng)，重新鏈接是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程；運(yùn)行中可供多個(gè)程序使用，內(nèi)存中只需要有一份，節(jié)省內(nèi)存。

 

三、鏈接過(guò)程

鏈接器主要是將有關(guān)的目標(biāo)文件彼此相連接生成可加載、可執(zhí)行的目標(biāo)文件。鏈接器的核心工作就是符號(hào)表解析和重定位。

3.1 鏈接的時(shí)機(jī)：

編譯時(shí)，就是源代碼被編譯成機(jī)器代碼時(shí)（靜態(tài)鏈接器負(fù)責(zé)）；加載時(shí)，也就是程序被加載到內(nèi)存時(shí)（加載器負(fù)責(zé)）；運(yùn)行時(shí)，由應(yīng)用程序來(lái)實(shí)施（動(dòng)態(tài)鏈接器負(fù)責(zé)）。

3.2 鏈接的作用（軟件復(fù)用）：

使得分離編譯成為可能；動(dòng)態(tài)綁定(binding):使定義、實(shí)現(xiàn)、使用分離

3.3 靜態(tài)庫(kù)搜索路徑(由靜態(tài)鏈接器負(fù)責(zé))

gcc先從-L尋找；再找環(huán)境變量LIBRARY_PATH指定的搜索路徑；再找內(nèi)定目錄 /lib /usr/lib /usr/local/lib 這是當(dāng)初compile gcc時(shí)寫在程序內(nèi)的。

3.4 動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑(由動(dòng)態(tài)鏈接器負(fù)責(zé))

編譯目標(biāo)代碼時(shí)指定的動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑-L；環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑；配置文件/etc/ld.so.conf中指定的動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑；默認(rèn)的動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑/lib /usr/lib/ /usr/local/lib

3.5 靜態(tài)鏈接（編譯時(shí)）

鏈接器將函數(shù)的代碼從其所在地（目標(biāo)文件或靜態(tài)鏈接庫(kù)中）拷貝到最終的可執(zhí)行程序中。這樣該程序在被執(zhí)行時(shí)這些代碼將被裝入到該進(jìn)程的虛擬地址空間中。靜態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)際上是一個(gè)目標(biāo)文件的集合，其中的每個(gè)文件含有庫(kù)中的一個(gè)或者一組相關(guān)函數(shù)的代碼。

為創(chuàng)建可執(zhí)行文件，鏈接器必須要完成的主要任務(wù)：

符號(hào)解析：把目標(biāo)文件中符號(hào)的定義和引用聯(lián)系起來(lái);重定位：把符號(hào)定義和內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)起來(lái)，然后修改所有對(duì)符號(hào)的引用。

關(guān)于符號(hào)表和符號(hào)解析以及重定位的分析后續(xù)學(xué)習(xí)。

3.6 動(dòng)態(tài)鏈接（加載、運(yùn)行時(shí)）

在此種方式下，函數(shù)的定義在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或共享對(duì)象的目標(biāo)文件中。在編譯的鏈接階段，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)只提供符號(hào)表和其他少量信息用于保證所有符號(hào)引用都有定義，保證編譯順利通過(guò)。動(dòng)態(tài)鏈接器(ld-linux.so)鏈接程序在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)記錄的共享對(duì)象的符號(hào)定義來(lái)動(dòng)態(tài)加載共享庫(kù)，然后完成重定位。在此可執(zhí)行文件被執(zhí)行時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的全部?jī)?nèi)容將被映射到運(yùn)行時(shí)相應(yīng)進(jìn)程的虛地址空間。動(dòng)態(tài)鏈接程序?qū)⒏鶕?jù)可執(zhí)行程序中記錄的信息找到相應(yīng)的函數(shù)代碼。  

四、加載過(guò)程

加載器把可執(zhí)行文件從外存加載到內(nèi)存并進(jìn)行執(zhí)行。 Linux中進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存映像如下：

 

 加載過(guò)程如下：

加載器首先創(chuàng)建如上圖所示的內(nèi)存映像，然后根據(jù)段頭部表，把目標(biāo)文件拷貝到內(nèi)存的數(shù)據(jù)和代碼段中。然后，加載器跳轉(zhuǎn)到程序入口點(diǎn)（即符號(hào)_start 的地址），執(zhí)行啟動(dòng)代碼（startup code），啟動(dòng)代碼的調(diào)用順序如所示：

 

五、處理目標(biāo)的常用工具

UNIX系統(tǒng)提供了一系列工具幫助理解和處理目標(biāo)文件。GNUbinutils 包也提供了很多幫助。這些工具包括：

AR ：創(chuàng)建靜態(tài)庫(kù)，插入、刪除、列出和提取成員；STRINGS ：列出目標(biāo)文件中所有可以打印的字符串；STRip ：從目標(biāo)文件中刪除符號(hào)表信息；NM ：列出目標(biāo)文件符號(hào)表中定義的符號(hào)；SIZE ：列出目標(biāo)文件中節(jié)的名字和大小；READELF ：顯示一個(gè)目標(biāo)文件的完整結(jié)構(gòu)，包括ELF 頭中編碼的所有信息。OBJDUMP ：顯示目標(biāo)文件的所有信息，最有用的功能是反匯編.text節(jié)中的二進(jìn)制指令。LDD ：列出可執(zhí)行文件在運(yùn)行時(shí)需要的共享庫(kù)。