基础回顾：c/c++编译过程

C/C++的编译过程基本相同，主要包括预处理、编译、汇编和链接四个阶段。下面通过gcc演示

1.预处理

预处理阶段是编译过程的第一步，主要处理源代码中的预处理器指令。这个阶段主要完成以下任务：

1. 文件包含：

   处理 #include 指令，将被包含文件的内容直接插入到当前文件中。例如：#include <stdio.h> 会被替换为 stdio.h 的实际内容

2. 宏展开：

   展开所有的宏定义，处理 #define 指令定义的宏。例如：#define MAX 100 会将代码中所有的 MAX 替换为 100

3. 条件编译：

   处理条件编译指令，如 #if, #ifdef, #ifndef, #else, #elif, #endif，根据条件选择性地包含或排除某些代码段

4. 删除注释：

   移除代码中的所有注释，包括单行注释 (//) 和多行注释 (/* */)

5. 行控制：

   处理 #line 指令，可以修改编译器的行号计数和当前文件名

6. 错误和警告：

   处理 #error 和 #warning 指令，生成编译错误或警告信息

7. 特殊符号处理：

   处理预定义的特殊符号，如 FILE, LINE, DATE, TIME 等这些符号会被替换为相应的值

8. 头文件保护：

   处理头文件中的include保护符（通常使用 #ifndef, #define, #endif），防止同一个头文件被多次包含

9. Pragma 指令：

   处理 #pragma 指令，这些指令通常用于控制编译器的行为

10. 三元字符组替换：

    将某些特殊的字符序列替换为单个字符。例如："??" 可能被替换为 "^"

11. 连接相邻的字符串字面量：

    将源代码中相邻的字符串字面量合并为一个

• 输入文件: .cpp, .cxx, .cc 等
• 输出文件: .i
• 例如: myfile.cpp -> myfile.i

g++ -E myfile.cpp > myfile.i

2.编译

编译阶段是将预处理后的源代码转换为汇编代码的过程。

1. 词法分析:将源代码分解成一系列的标记，识别关键字、标识符、常量、运算符等

2. 语法分析:根据语言的语法规则，将标记组织成抽象语法树检查代码是否符合语言的语法规则

3. 语义分析:检查代码的语义正确性，类型检查，变量声明和使用检查，函数调用参数检查

4. 中间代码生成:将AST转换为中间表示，如三地址码或四元式这种表示更接近机器码，但仍然与具体的机器架构无关

5. 代码优化:对中间代码进行优化，以提高效率，常见优化包括：常量折叠、死代码消除、循环优化、内联展开等

6. 目标代码生成:将优化后的中间代码转换为目标机器的汇编代码，这一步骤与具体的目标架构相关

7. 符号表管理：维护一个符号表，记录变量、函数等标识符的信息。用于类型检查、作用域分析等

8. 错误处理和诊断：检测并报告编译错误，生成警告信息

9. 调试信息生成：如果启用了调试选项，生成调试信息（如行号对应关系）

10. 特定语言特性处理：对于C++，还包括模板实例化、名称修饰（name mangling）等

11. 内存布局决策：决定变量和数据结构在内存中的布局

12. 寄存器分配：决定哪些变量放在寄存器中，哪些放在内存中

输出：

• 编译阶段的最终输出通常是汇编代码（.s文件）

g++ -S myfile.i > myfile.s

3.汇编

汇编阶段是将编译器生成的汇编代码转换为机器码的过程。

1. 指令转换：

   将汇编指令转换为对应的机器码，每条汇编指令通常对应一个或多个机器指令

2. 符号解析：

   将汇编代码中的符号（如标签、变量名）转换为内存地址，对于外部符号（如来自其他模块的函数），生成重定位信息

3. 地址分配：

   为代码和数据分配内存地址，这些地址可能是相对的，需要在链接阶段进行最终调整

4. 生成目标文件：

   创建目标文件（.o 或 .obj），包含机器码、数据和元数据，目标文件通常包含多个段（section），如代码段、数据段、只读数据段等

5. 生成重定位表：

   记录需要在链接阶段进行地址调整的位置

6. 生成符号表：

   创建一个符号表，列出所有定义和引用的符号，包括全局符号、局部符号、外部符号等

7. 常量池处理：

   将常量数据放入特定的段中

8. 调试信息处理：

   如果启用了调试选项，将调试信息嵌入到目标文件中

9. 错误检查：

   检查汇编代码中的语法错误，验证指令的合法性

10. 架构特定优化：

    可能进行一些特定于目标架构的优化

11. 生成元数据：

    包括目标文件格式信息、版本信息等

输出：

• 汇编阶段的输出是目标文件（.o 或 .obj）

g++ -c myfile.s > myfile.o

链接

链接阶段是编译过程的最后一步，它将多个目标文件和库文件组合在一起，生成最终的可执行文件或共享库。

1. 符号解析：

   解析所有外部符号引用，将每个符号引用与其定义匹配，检查是否有未解析的符号

2. 地址和空间分配：

   为每个段分配内存地址，合并相同类型的段，确定每个符号的最终内存地址

3. 重定位：

   调整代码和数据中的地址引用，用符号的实际地址替换占位符地址

4. 库链接：

   链接静态库（.a 或 .lib 文件），为动态库（.so 或 .dll 文件）添加必要的信息

5. 生成启动代码：

   添加程序入口点代码（如 main 函数的调用准备），添加初始化代码（如全局对象的构造函数调用）

6. 解决名称修饰：

   特别是在C++中，处理由于函数重载等特性导致的复杂符号名

7. 处理弱符号：

   解决多重定义的弱符号

8. 生成导出和导入表：

   对于动态链接，生成必要的导出和导入信息

9. 优化：

   可能进行一些全局优化，如删除未使用的代码和数据

10. 生成元数据：

    添加程序头、节头等元数据，包含调试信息

11. 错误检查：

    检查符号冲突，验证所有必需的符号都已解析

12. 生成可执行文件：

    创建最终的可执行文件或共享库，设置正确的文件格式

输出：

• 链接阶段的输出通常是可执行文件（在Unix/Linux系统上没有扩展名，在Windows上是.exe）或共享库（.so 或 .dll）

g++ myfile.o -o myfile