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在日常的应用程序开发过程中我们很少需要关注软件的编译和连接过程特别是对于常用的集成开发环境visual studio它将编译和链接的过程封装起来一步完成称为“构建”。 但是在这样的开发过程中我们往往依赖于集成开发环境的强大而忽略了软件的运行机制和机理导致对程序中的很多莫名其妙的错误无从下手程序运行时的性能瓶颈分析也让我们束手无策如果我们能够深入了解软件运行背后的机理以及支撑软件运行的各种平台和工具那么解决这些问题相对来说就比较容易了。接下来让我们一起了解软件编译与链接的过程。
一、预处理 预处理过程主要处理那些源代码文件中的以“#”开始的预编译指令。比如”#include””#define”等主要处理规则如下 1将所有的”#define”删除并且展开所有的宏定义。因为宏定义是直接展开的所以我们在定义运算符相关宏时切记要带上括号避免导致歧义。 2处理所有的条件预编译指令比如“#if“”#ifdef“”#elif”“#else””#endif” 3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注意这个过程时递归进行的也就是说被包含的文件可能还包含其它文件。当程序项目较大时由于头文件包含较多会导致编译速度减慢此时可以从头文件的包含着手解决避免包含无用的头文件以及重复包含问题。 4过滤所有的注释“//“和”/**/“中的内容 5添加行号和文件名标识比如#2“hello.c“ 2以便于编译时编译器产生调试用的行号信息及用于编译时产生的编译错误和编译警告时显示行号。 6保留所有的#pragma编译指令程序编译时编译器需要使用到。 7处理预定义宏在不同的编译器中会有一些常用的预定义宏比如__FILE____FUNCTION____LINE__。 8预处理不做任何语法检查不仅是因为它不具备语法检查功能也因 为预处理命令不属于 C/C 语句这也是定义宏时不要加分号的原因语法 检查是编译器要做的事情。 通过以下命令可以对源文件进行预编译操作编译后的文件扩展名是.ii。
二、编译
编译过程就是把与预处理完的文件进行一系列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文件。可以通过以下命令进行编译注意大写S
gcc –S hello.i –o hello.s经过编译后的.s文件中是汇编代码可以直接打开查看其内容 究竟编译器做了什么从最直观的角度来讲编译器就是将高级语言翻译成机器语言的一个工具。比如用C/C语言写的一个程序可以通过编译器将其翻译成计算机可以执行的指令以及数据编译的过程一般分为六步扫描词法分析语法分析语义分析源代码优化代码生成和目标代码优化。整个过程如图所示
2.1词法分析 array[index] (index 5) * (2 7); 词法分析产生的记号一般可以分为以下几类关键字常数运算符标识符。在识别记号的同时扫描器也完成了其它工作比如将标识符存放到符号表将数字和字符串常量存放到文字表等以备后续步骤使用。 对于C/C语言走到词法分析这一步时宏替换以及文件包含已经在预处理中处理完毕。 2.2语法分析 在语法分析的同时很多运算符号的优先级和含义也被确定下来了。比如乘法表达式比加法表达式的优先级高。另外有些符号具有多重含义比如 * 在C语言中可以表示乘法表达式也可以表示指针取内容的表达式所以语法分析阶段必须对这些内容进行区分。如果出现了表达式不合法比如各种括号不匹配、表达式中缺少操作符等编译器就会报告语法分析阶段的错误 2.3语义分析 语义分析是由语义分析器来对表示的语法层面进行的分析但是它并不了解这个语句是否真正有意义。比如C/C中对两个指针做乘法运算是没有意义的但是这个语句在语法上是合法的比如同样一个指针和浮点数做乘法运算是否合法等。编译器所能分析的语义是静态语义也就是编译期可以确定地语义与之对应地动态语义就是只有在运行期才能确定的语义。 静态语义通常包括声明和类型的匹配类型的转换。比如当一个浮点型的表达式赋值给一个整型的表达式这其中包含了一个浮点型到整型的准换过程语义分析就负责完成这个步骤。比如将浮点数赋值给指针时语义分析会发现这个类型不匹配整型时可以赋值给指针的编译器就会报错。 动态语义一般指在运行期出现的语义相关的问题比如将0作为除数是一个运行期语义错误。 经过语义分析阶段后整个语法树的表达式都被标上了类型如果有些类型需要做隐式转换语义分析程序会在语法树中插入相应的转换节点。上秒描述的语法树在经过语义分析阶段后变化如图所示 2.4中间语言的生成
现代的编译器有着很多层次的优化往往在源代码级别会有一个优化过程。这里所描述的源码级优化器在不同编译器中可能会有不同的定义或者一些其它差异。源代码优化器会在源码级别进行优化在上例中我们可以发现27这个表达式可以被优化掉因为它的值在编译期就可以确定优化后的语法树为 我们看到27这个表达式被直接优化成9。由于直接在语法树上进行优化比较困难因此源代码优化器往往先将整个语法树转换成中间代码它是语法树的顺序表示已经非常接近目标代码了。但是中间代码一般跟目标机器和运行时的环境是无关的比如不包含数据的大小变量的地址和寄存器的名称等等。中间代码在不同的编译器中有着不同的形式此处不再详细介绍。 中间代码使得编译器可以被分为前端和后端前端负责产生机器无关的中间代码后端负责将中间代码转换成目标机器代码。这样对于一些跨平台的编译器而言它们可以针对不同的平台使用同一个前端和针对不同机器平台的数个后端。
2.5目标代码的优化 源代码级优化器产生中间代码标志着下面的过程都是由编译器后端来完成的代码生成器和目标代码优化器。 代码生成器将中间代码转换为与机器相关的目标机器代码这个过程依赖于目标机器的结构因为不同机器的字长寄存器整数数据类型浮点数数据类型都不一样很简单的例子32位操作系统和64位操作系统指针变量所占字节数分别为4字节和8字节。比如常用的GCC编译器就几乎支持所有的CPU平台当然这也导致它的指令生成过程更为复杂。 最后目标代码优化器对转换后的目标代码进行优化比如选择合适的寻址方式位移来代替乘法运算删除多余的指令等。 经过了词法分析语法分析语义分析源代码优化目标代码生成和目标代码优化编译器经过这么多步骤终于将源代码编译成目标代码。但是上述目标代码中index和array的地址还没有确定如果现在把目标代码使用汇编器编译成真正能够在机器上执行的指令那么index和array的地址是从哪里来的呢如果它们定义跟上述源码在同一个编译单元内那么编译器可以为它们分配空间确定地址但是如果index和array是定义在其它的程序模块中呢 事实上定义其它模块的全局变量和函数在最终运行时的绝对地址都要在最终链接时才能确定。所以现代的编译器可以将一个源代码文件编译成一个未链接的目标文件比如gcc中通过gcc –c hello.c 会生成hello.o文件然后由连接器将这些目标文件链接起来形成最终的可执行文件gcc hello.o。
三、链接
把每个源代码模块独立地编译然后按照需要将它们进行“组装”这个组装地过程就是链接。链接地主要内容就是把各个模块之间相互引用地部分包括函数和变量都处理好使得各个模块之间能够正确地衔接。 从原理上讲链接地工作无非就是把一些指令对其他符号地址地引用加以修饰链接主要包括了地址和空间分配符号决议和重定位这些步骤 举一个简单的例子比如我们在模块main.c中使用另一个模块func.c中的函数foo()我们在main.c模块中每一处调用foo函数的时候都必须确切知道foo的函数地址但是由于每个模块都是单独编译的在编译器编译main.c的时候它并不知道foo函数的地址但是由于编译的预处理阶段是将头文件全部替换的因此编译单独编译main模块是没有问题的所以暂时把这些调用foo的指令的目标地址搁置等待最后链接的时候由连接器去将这些指令的目标地址进行修正。
Mov1 $0x2a, var这条指令就是给这个var变量赋值0x2a由于比在编译目标文件B的时候编译器并不知道变量var的目标地址所以在这种情况下编译器将这条mov指令的目标地址设为0等待链接器在将目标文件A和B链接起来的时候再将其修正。假设A和B链接后变量var的地址确定下来为0x100那么链接起会把这个指令的目标地址修改成0x100。这个地址修正的过程叫做重定位每个要被修正的地方叫一个重定位入口在编译过程中报错找不到函数的入口那就是因为在链接时找不到该函数的地址。
四、总结
本期我们讲了关于计算机程序的编译与链接希望对大家有所帮助
