gcc编译器眼中的C语言

子牙老师

已于 2025-06-17 15:59:07 修改

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文章标签： c语言编译器

于 2025-06-17 10:42:28 首次发布

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编程语言一般分为编译期、运行期
有的编程语言是编译期与运行期合并在一起的，比如Python、PHP…即解释型语言
有的则是编译期与运行期分开的，比如C、C++、Java…即编译型语言

今天咱们深入聊聊编译期的C语言
运行期的C语言，我在我之前的课程中已经详细讲过，感兴趣的自己去看视频

编译期，即编译器工作的期间
一般编译器，都是基于《编译原理》实现的
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但是C语言的编译器的实现，在《编译原理》基础上做了拓展，如图
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接下来详细讲讲C语言编译器的各个阶段

预处理

在真正编译C语言程序之前，需要对C语言程序进行预处理，预处理是由集成在编译器中的预处理器完成的

从《编译原理》的角度，词法分析是编译器的第一个阶段。但是从C语言编译器的角度，预处理是第一个阶段

预处理阶段主要完成四件事：删除注释、宏展开、文件包含、条件编译

如果你要做实验论证，gcc -E即可实现，比如
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举个例子吧：删除注释、宏展开，比如代码
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预处理以后，注释没有了，宏展开了。C语言的预处理器，就是简单的宏替换
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你会发现，预处理器会在开头多生成点东西，这些东西是什么呢？有什么用呢？

这些看似神秘的 # 开头的行，实际上叫做行控制信息（line control directives），是 GCC 预处理器在输出中自动插入的特殊指令，是方便后续编译器、调试器、诊断工具理解源码位置的信息

词法分析

经过预处理后，得到的就是完整的C语言程序了，就可以开始编译了。词法分析器启动…

词法分析器的职责是：输入源程序，输出token
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来看看上面的程序生成的token
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如何查看C语言程序生成的token呢？
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你可能想问：为什么用clang，而不是用gcc？因为gcc作为老牌的编译器，不支持这个功能

来看看词法分析器生成token的过程
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如果你想透彻理解词法分析的底层原理，你可以使用词法分析工具flex生成词法分析器，去实战。或者自己从零写一个词法分析器，体会将程序的点点滴滴转成token的过程，你的困惑就解开了…（这部分内容，我做的课程手写编程语言中有教，感兴趣的可以咨询班主任jvm-anan）

语法分析

拿到源程序对应的token，就可以去做语法分析了。语法分析器启动…

语法分析器的职责是：输入token，输出抽象语法树AST。后面的阶段，都是围绕AST进行的
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换个程序，来看看经过语法分析生成的抽象语法树
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对应的AST
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如何查看呢？两种方式
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其实gcc也可以，就是生成的文件太多，看起来不直观
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会生成这些文件
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来看看token生成AST的过程，比如print语句
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如果你想透彻理解语法分析的底层原理，你可以使用语法分析工具bison生成语法分析器，去实战。或者自己从零写一个语法分析器，体会将token转成AST的过程，你的困惑就解开了…（这部分内容，我做的课程手写编程语言中有教，感兴趣的可以咨询班主任jvm-anan）

语义分析

语义分析器的职责是：输入AST，输出AST + 符号表
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比如程序生成的AST长这样
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语义分析器会遍历AST，生成符号表。这个无法查看，你可以大概理解成是这样
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然后是在AST表中加上注解
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语义分析是一种什么感觉呢？就像拿着一棵语法树边走边做笔记，遇到变量声明就记下来（符号表），遇到变量使用就去查阅笔记，发现有问题就报错

语义分析具体做哪些事情呢？我们所知的如：类型检查、类型转换、生命周期检查、控制流检查、访问权限…完整的如图
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语义分析是编译器前端中逻辑最复杂、实现难度最高、语言标准依赖最强、对整体编译正确性最关键的阶段。我在我的课程手写编程语言中，做了初步的语义分析，我觉得让大家touch到那个感觉即可

中间代码生成
万事俱备，可以生成中间代码了。比如程序
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生成的中间代码长这样
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如何查看的呢？
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前面说了，这样干会生成很多文件，后缀名是.gimple的才是

C语言的中间代码（IR）称为：GIMPLE，三地址码形式

优化

在编译之前，还要做一件事：优化。我们使用gcc -O配置优化级别，就是在这个阶段完成的

gcc一共提供了5个优化
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所有的优化任务
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举个例子帮助大家理解编译优化，比如常量折叠，优化前
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优化后
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看到这，是不是有一种悟的感觉了…

代码生成

代码生成阶段是由代码生成器完成的。代码生成器的职责是：将优化后的中间表示（IR）转换为目标平台的汇编代码
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比如代码
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生成汇编代码
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如果你想查看C语言程序生成的汇编程序，运行时查看反汇编即可，编译时呢？这样查看
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这就是C语言代码生成的all

汇编

这个阶段就是将汇编代码编译成机器码
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注意，这时候还不是可执行文件，是目标文件.o
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如何得到目标文件呢？gcc -c test.s -o test.o
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理解这个阶段非常重要，因为我们写很多底层程序，比如操作系统，需要使用汇编+C语言，就是将汇编程序编译成目标文件，C语言程序编译成目标文件，然后链接成可执行文件，才得到真正的操作系统代码

链接

万事俱备，只欠可执行文件了。链接器启动…
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执行链接操作：gcc test.o -o test即可生成可执行文件
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如果有多个中间文件，可以将多个中间文件链接：gcc test.o 1.o 2.o -o test

注意，gcc完成链接工作，背后其实是调用链接器ld实现的

以上就是C语言程序编译期的全部，你学废了吗？

后续还会更新更多超硬核文章，感兴趣的话可以关注**【硬核子牙】**微信公众号

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