C编译过程以及 ELF文件（学习笔记）

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#c语言 #学习 #笔记

于 2023-06-27 15:55:46 首次发布

本文详细介绍了C语言程序从源代码到可执行文件的编译过程，包括预处理、编译、汇编和链接四个阶段，以及在Unix系统中gcc的使用。同时，文章深入探讨了ELF文件的结构，包括可重定位文件、可执行文件、共享目标文件和核心转储文件，并解释了Section和Segment的区别。此外，还提到了静态库和动态库的概念。

C编译过程

一个用C语言编写的高级语言程序是从编写到打包、再到编译执行的基本过程，我们知道在CPU上执行的是低级别的机器语言，从高级语言到低级别的机器语言肯定是要经过翻译过程，这个过程大体的过程如下图所示:

在Unix系统中，从源文件到可执行目标文件是由编译驱动程序完成的，如大名鼎鼎的 gcc，翻译过程包括图中的是个阶段；

预处理阶段
1. 预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令修给原始的C程序，结果得到另一个C程序，通常以.i作为文件扩展名。主要是进行 文本替换、宏展开、删除注释 这类简单工作。
2. 对应的命令：linux> gcc -E hello.c hello.i
编译阶段
1. 编译器将文本文件 hello.i 翻译成 hello.s ，包含相应的汇编语言程序
2. 对应的命令：linux> gcc -S hello.c hello.s
汇编阶段
1. 将.s文件翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件.o中(把汇编语言翻译成机器语言的过程)。
2. 把一个源程序翻译成目标程序的工作过程分为五个阶段：词法分析；语法分析；语义检查和中间代码生成；代码优化；目标代码生成。主要是进行词法分析和语法分析，又称为源程序分析，分析过程中发现有语法错误，给出提示信息。
  - 词法分析阶段是编译过程的第一个阶段。这个阶段的任务是从左到右一个字符一个字符地读入源程序，即 对构成源程序的字符流进行扫描然后根据构词规则识别单词 (也称单词符号或符号)。词法分析程序实现这个任务。词法分析程序可以使用lex等工具自动生成。
  - 语法分析是编译过程的一个逻辑阶段。语法分析的任务是 在词法分析的基础上将单词序列组合成各类语法短语 ，如“程序”，“语句”，“表达式”等等.语法分析程序判断源程序在结构上是否正确.源程序的结构由上下文无关文法描述.
  - 语义分析是编译过程的一个逻辑阶段. 语义分析的任务是 对结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查 , 进行类型审查.例如一个C程序片断:
    
    int arr[2], b;
    
    b = arr * 10;
    
    源程序的结构是正确的.
    
    语义分析将审查类型并报告错误:不能在表达式中使用一个数组变量，赋值语句的右端和左端的类型不匹配.
  - 在进行了语法分析和语义分析阶段的工作之后，有的编译程序将源程序变成一种内部表示形式，这种内部表示形式叫做中间语言或中间表示或中间代码。所谓“中间代码”是一种结构简单、含义明确的记号系统，这种记号系统复杂性介于源程序语言和机器语言之间，容易将它翻译成目标代码。另外，还可以在中间代码一级进行与机器无关的优化。
  - 想详细了解编译过程，请看：编译原理(douban.com)
3. 对应的命令：linux> gcc -c hello.c hello.o
链接阶段
1. 此时hello程序调用了printf函数。 printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译目标文件中。链接器（ld）就负责处理把