Cprogramming 简明教程

Compilation Process in C

C 语言是一种编译语言。与解释型语言相比，编译语言提供更快的执行性能。不同的编译器产品可用于编译 C 程序。它们有 GCC、Clang、MSVC 等。在本章中，我们将解释在使用 GCC 编译器编译 C 程序时后台发生的情况。

Compiling a C Program

由 1 和 0 位组成的二进制指令序列称为 machine code 。C、C++、Java 等高级编程语言包含更接近于英语等人类语言的关键字。因此，用 C（或任何其他高级语言）编写的程序需要转换为等效的机器代码。此过程称为 compilation 。

请注意，机器代码特定于硬件架构和操作系统。换句话说，在使用 Windows 操作系统计算机上编译的某个 C 程序的机器代码将与使用 Linux 操作系统计算机上的另一台计算机不兼容。因此，我们必须使用适合目标操作系统的编译器。

compilation

C Compilation Process Steps

在本次教程中，我们将使用 gcc（代表 GNU 编译器集合）。GNU 项目是理查德·斯托曼的一个自由软件项目，开发者可以免费使用该项目中的强大工具。

gcc 编译器支持多种编程语言，包括 C 语言。为了使用它，我们应该安装与目标计算机兼容的版本。

编译过程分为四步——

  1. Preprocessing

  2. Compiling

  3. Assembling

  4. Linking

下图展示了编译过程。

compilation process

Example

为了理解这一过程，我们考虑用 C 语言编写的以下源代码：

#include <stdio.h>

int main(){

   /* my first program in C */

   printf("Hello World! \n");

   return 0;
}

运行代码并检查其输出：

Hello World!

“.c” 是一个文件扩展名，通常表示文件是用 C 编写的。第一行是预处理器指令，它告诉编译器包含头文件。和之间的文本是注释，这些注释用于文档目的。

程序的入口点是。这意味着程序将从执行此函数块内的语句开始。这里，在给定的程序代码中，只有两个语句：一条将输出句子“Hello World”到终端，另一条语句告诉程序，如果退出或结束正确地，则“返回 0”。因此，一旦我们编译它，如果我们运行这个程序，我们只会看到“Hello World”这个短语出现。

What Goes Inside the C Compilation Process?

为了使我们的“main.c”代码可执行，我们需要输入命令“gcc main.c”，编译过程将经历它包含的所有四步。

Step 1: Preprocessing

预处理器执行以下操作——

  1. 它删除源文件中的所有注释。

  2. 它包括头文件（一个扩展名为 .h 的文件）的代码，该文件包含 C 函数声明和宏定义。

  3. 它用其值替换所有宏（已命名代码片段）。

这步的输出将存储在一个扩展名为“@”的文件中，因此这里它将在“@”中。

为了在此步骤后立即停止编译，我们可以在源文件中使用选项“@”与 gcc 命令，然后按 Enter。

gcc -E main.c

Step 2: Compiling

编译器从预处理过的文件中生成 IR 代码（中间表示），因此这将产生一个“.s”文件。话虽如此，其他编译器可能会在编译的这一步生成汇编代码。

我们可以通过 gcc 命令上的“@”选项在此步骤后停止，然后按 Enter。

gcc -S main.c

@ 文件应该是这样的——

.file	"helloworld.c"
   .text
   .def	__main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
   .section .rdata,"dr"
.LC0:
   .ascii "Hello, World! \0"
   .text
   .globl	main
   .def	main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
   .seh_proc	main
main:
   pushq	%rbp
   .seh_pushreg	%rbp
   movq	%rsp, %rbp
   .seh_setframe	%rbp, 0
   subq	$32, %rsp
   .seh_stackalloc	32
   .seh_endprologue
   call	__main
   leaq	.LC0(%rip), %rcx
   call	puts
   movl	$0, %eax
   addq	$32, %rsp
   popq	%rbp
   ret
   .seh_endproc
   .ident	"GCC: (x86_64-posix-seh-rev0, Built by MinGW-W64 project) 8.1.0"
   .def	puts;	.scl	2;	.type	32;	.endef

Step 3: Assembling

汇编器获取 IR 代码并将它转换成目标代码，即机器语言（二进制）代码。这将生成一个以“.o”结尾的文件。

我们可以在此步骤后通过使用带 gcc 命令的选项“-c”停止编译过程，然后按 Enter。

请注意，“main.o”文件不是文本文件，因此当你使用文本编辑器打开此文件时，其内容不可读。

Step 4: Linking

链接器创建最终可执行文件（二进制）。它将所有源文件的目标代码链接在一起。链接器知道在哪里查找@ 或 @ 中的函数定义。

静态库是编译器将所有使用的库函数复制到可执行文件的产物。动态库中的代码并没有全部复制，只有库的名称被放置在二进制文件中。

默认情况下，在这第四步也是最后一步后，也就是您在没有任何选项的情况下键入整个“ gcc main.c ”命令时，编译器将创建一个名为 main.out 的可执行程序（Windows 系统中的名称为 main.exe ），我们可以从命令行运行该程序。

我们还可以选择通过在 gcc 命令后添加“ -o ”选项（置于编译文件或多个文件的名称之后），来创建一个具有我们想要的名称的可执行程序。

gcc main.c -o hello.out

所以现在，如果您没有使用 "-o" 选项，我们可以键入“ ./hello.out ”；如果您使用了该选项，我们可以键入“ ./hello ”来执行编译的代码。输出将显示“ Hello World ”，然后将再次显示 shell 提示符。