从C文件到可执行elf文件

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本文详述了一个C源文件如何通过预处理、编译、汇编及链接过程，最终转换为ELF格式的可执行文件。该过程涉及预处理器对源代码的处理、编译器生成汇编代码、汇编器创建目标文件以及链接器整合各部分生成最终的可执行文件。

摘要：本文主要为你解释一个C文件是如何被一步步处理成可执行的elf格式文件的。

本文来源: 从C文件到ELF

说明：所有本文的用例是以下hello.c程序：

#include<stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

1.预处理

作用：预处理器是在真正的编译开始之前由编译器调用的独立程序。预处理器可以删除注释、包含其他文件以及执行宏（宏macro是一段重复文字的简短描写）替代。

我们来看看hello.c经过预处理以后的结果：gcc -E hello.c -o hello.i

extern int ftrylockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;


extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 940 "/usr/include/stdio.h" 3 4

# 2 "hello.c" 2
int main(int argc, char *argv[])
{
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

变化：预处理结果就是将stdio.h 文件中的内容插入到hello.c中了，文件变成了855行

2编译为汇编代码(Compilation)

编译：编译器的作用是预处理之后，可直接对生成的hello.i文件编译，生成汇编代码：

gcc -S hello.i -o hello.s

gcc的-S选项，表示在程序编译期间，在生成汇编代码后，停止，-o输出汇编代码文件。我们同样可以用vim打开观看：

  1         .file   "hello.c"
  2         .section        .rodata
  3 .LC0:
  4         .string "hello world"
  5         .text
  6         .globl  main
  7         .type   main, @function
  8 main:
  9 .LFB0:
 10         .cfi_startproc
 11         pushl   %ebp
 12         .cfi_def_cfa_offset 8
 13         .cfi_offset 5, -8
 14         movl    %esp, %ebp
 15         .cfi_def_cfa_register 5
 16         andl    $-16, %esp
 17         subl    $16, %esp
 18         movl    $.LC0, (%esp)
 19         call    puts
 20         movl    $0, %eax
 21         leave
 22         .cfi_restore 5
 23         .cfi_def_cfa 4, 4
 24         ret
 25         .cfi_endproc
 26 .LFE0:
 27         .size   main, .-main
 28         .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"
 29         .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

3汇编(Assembly)

汇编：汇编器对于上一小节中生成的汇编代码文件hello.s，gas汇编器负责将其编译为目标文件，如下：

gcc -c hello.s -o hello.o

说明，这一步将程序划分为若干段（数据段，代码段等），可以用objdump命令来查看这些目标文件的内容。

$ objdump -x hello.o 

hello.o:     file format elf32-i386
hello.o
architecture: i386, flags 0x00000011:
HAS_RELOC, HAS_SYMS
start address 0x00000000

Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .text         0000001c  00000000  00000000  00000034  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  1 .data         00000000  00000000  00000000  00000050  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000000  00000000  00000000  00000050  2**2
                  ALLOC
  3 .rodata       0000000c  00000000  00000000  00000050  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .comment      0000002b  00000000  00000000  0000005c  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .note.GNU-stack 00000000  00000000  00000000  00000087  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  6 .eh_frame     00000038  00000000  00000000  00000088  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA
SYMBOL TABLE:
00000000 l    df *ABS*	00000000 hello.c
00000000 l    d  .text	00000000 .text
00000000 l    d  .data	00000000 .data

4连接(Linking)

链接：连接器的目的主要是进行重定位和符号解析，gcc连接器是gas提供的，负责将程序的目标文件与所需的所有附加的目标文件连接起来，最终生成可执行文件。附加的目标文件包括静态连接库和动态连接库。

对于上一小节中生成的test.o，将其与Ｃ标准输入输出库进行连接，最终生成程序test

gcc hello.o -o hello

可以用readelf命令查看elf文件的详细内容：

Histogram for `.gnu.hash' bucket list length (total of 2 buckets):
 Length  Number     % of total  Coverage
      0  1          ( 50.0%)
      1  1          ( 50.0%)    100.0%


Version symbols section '.gnu.version' contains 5 entries:
 Addr: 0000000008048266  Offset: 0x000266  Link: 5 (.dynsym)
  000:   0 (*local*)       2 (GLIBC_2.0)     0 (*local*)       2 (GLIBC_2.0)  
  004:   1 (*global*)   


Version needs section '.gnu.version_r' contains 1 entries:
 Addr: 0x0000000008048270  Offset: 0x000270  Link: 6 (.dynstr)
  000000: Version: 1  File: libc.so.6  Cnt: 1
  0x0010:   Name: GLIBC_2.0  Flags: none  Version: 2


Notes at offset 0x00000168 with length 0x00000020:
  Owner                 Data size	Description
  GNU                  0x00000010	NT_GNU_ABI_TAG (ABI version tag)
    OS: Linux, ABI: 2.6.24

在命令行窗口中，执行./hello, 让它说HelloWorld吧！

总结一下：源文件name.c，经过-s处理，在编译之前停下，生成汇编代码，当然有intel 和AT&T等汇编格式可选；

然后经过-o，编译成目标代码，目标代码已经基本上是一些机器代码和重定位等信息了，典型的目标代码有text , data, bss等几个段构成

然后经过链接，生成可执行目标文件，这已经是完完全全的机器代码了（包含一些装载器所需要的定位信息）