GCC编译器工作原理详解-优快云博客

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本文介绍了GCC编译器的详细过程，包括预处理、编译、汇编和链接四个阶段，以及ELF文件的段和反汇编。GCC不仅支持C语言，还支持多种其他语言，并广泛应用于各种平台。

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文章目录

简介：
一、编译
二、分析 ELF 文件
- 1.ELF 文件的段
- 2.反汇编 ELF
总结

简介：

GCC 的意思也只是 GNU C Compiler 而已。经过了这么多年的发展，GCC 已经不仅仅能支持 C 语言；它现在还支持 Ada 语言、C++ 语言、Java 语言、Objective C 语言、Pascal 语言、COBOL 语言，以及支持函数式编程和逻辑编程的 Mercury 语言，等等。而 GCC 也不再单只是 GNU C 语言编译器的意思了，而是变成了 GNU Compiler Collection 也即是 GNU 编译器家族的意思了。另一方面，说到 GCC 对于操作系统平台及硬件平台支持，概括起来就是一句话：无所不在。

一、编译

//hello.c 
#include <stdio.h> 
int main(void)
 { 
 printf("Hello World!\n");
 return 0; 
 }

这个程序，一步到位的编译指令是:

gcc hehe.c -o test

实质上，上述编译过程是分为四个阶段进行的，即预处理(也称预编译，Preprocessing)、编译 (Compilation)、汇编 (Assembly)和连接(Linking)。

1. 预处理(Preprocessing)

预处理的过程主要包括以下过程：
(1) 将所有的#define 删，并且展开所有的宏定义，并且处理所有的条件预编译指令，比如#if ；#ifdef ； #elif ； #else； #endif 等。
(2) 处理#include 预编译指令，将被包含的文件插入到该预编译指令的位置。
(3) 删除所有注释“//”和“/* */”。
(4) 添加行号和文件标识，以便编译时产生调试用的行号及编译错误警告行号。
(5) 保留所有的#pragma 编译器指令，后续编译过程需要使用它们。使用 gcc 进行预处理的命令如下：

gcc -E hello.c -o hello.i

hello.i文件片段：
在这里插入图片描述

2.编译(Compilation)

编译过程就是对预处理完的文件进行一系列的词法分析，语法分析，语义分析及优化后生成相应的汇编代码。
（注意：-S中的S要大写，不然会出错。）

gcc -S hello.i -o hello.s

hello.s文件片段：
在这里插入图片描述

3.汇编(Assembly)

汇编过程调用对汇编代码进行处理，生成处理器能识别的指令，保存在后缀为.o 的目标文件中。每一个汇编语句几乎都对应一条处理器指令。
使用 gcc 进行汇编的命令如下：

gcc -c hello.s -o hello.o

注意：hello.o 目标文件为 ELF（Executable and Linkable Format）格式的可重定向文件。

4.链接(Linking)

链接也分为静态链接和动态链接，其要点如下：
(1) 静态链接是指在编译阶段直接把静态库加入到可执行文件中去。
(2) 动态链接则是指链接阶段仅仅只加入一些描述信息，而程序执行时再从系统中把相应动态库加载到内存中去。

动态库链接：

gcc hello.c -o hello 
size hello //使用 size 查看大小

结果如图：
在这里插入图片描述
看该可执行文件链接了很多其他动态库

ldd hello

结果如图：
在这里插入图片描述
静态库链接：

gcc -static hello.c -o hello

同样观察大小和链接：

在这里插入图片描述

链接器链接后生成的最终文件为 ELF 格式可执行文件，一个 ELF 可执行文件通常被链接为不同的段。

二、分析 ELF 文件

1.ELF 文件的段

ELF 文件格式如下图所示，位于 ELF Header 和 Section Header Table 之间的都是段（Section）。一个典型的 ELF 文件包含下面几个段：
.text：已编译程序的指令代码段。
.rodata：ro 代表 read only，即只读数据。
.data：已初始化的 C 程序全局变量和静态局部变量。
.bss：未初始化的 C 程序全局变量和静态局部变量。 .debug：调试符号表，调试器用此段的信息帮助调试。

可以使用 readelf -S 查看其各个 section 的信息如下：

readelf -S hello

结果：
在这里插入图片描述

2.反汇编 ELF

由于 ELF 文件无法被当做普通文本文件打开，如果希望直接查看一个 ELF 文件包含的指令和数据，需要使用反汇编的方法。

代码如下（）：

objdump -D hello

执行结果：
在这里插入图片描述

使用 objdump -S 将其反汇编并且将其 C 语言源代码混合显示出来：

gcc -o hello -g hello.c //要加上-g 选项 
objdump -S hello