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標(biāo)題: 教你如何從C/C++編程生成執(zhí)行文件 [打印本頁(yè)]

作者: edu118gct 時(shí)間: 2014-12-10 10:39
標(biāo)題: 教你如何從C/C++編程生成執(zhí)行文件

篇一
C/C++程序編譯步驟如何生成可執(zhí)行文件

電子計(jì)算機(jī)所使用的是由“0”和“1”組成的二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制是計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)發(fā)明之

初，人們只能降貴紆尊，用計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言去命令計(jì)算機(jī)干這干那，一句話(huà)，就是寫(xiě)出一串串由“0”和

“1”組成的指令序列交由計(jì)算機(jī)執(zhí)行，這種語(yǔ)言，就是機(jī)器語(yǔ)言。想象一下老前輩們?cè)诖蚩讬C(jī)面前數(shù)

著一個(gè)一個(gè)孔的情景，噓，小聲點(diǎn)，你的驚嚇可能使他們錯(cuò)過(guò)了一個(gè)孔，結(jié)果可能是導(dǎo)致一艘飛船飛離

軌道阿。

為了減輕使用機(jī)器語(yǔ)言編程的痛苦，人們進(jìn)行了一種有益的改進(jìn)：用一些簡(jiǎn)潔的英文字母、符號(hào)串來(lái)替

代一個(gè)特定的指令的二進(jìn)制串，比如，用“A D D”代表加法，“M O V”代表數(shù)據(jù)傳遞等等，這樣一來(lái)

，人們很容易讀懂并理解程序在干什么，糾錯(cuò)及維護(hù)都變得方便了，這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言就稱(chēng)為匯編語(yǔ)言

，即第二代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。然而計(jì)算機(jī)是不認(rèn)識(shí)這些符號(hào)的，這就需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的程序，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)將這些

符號(hào)翻譯成二進(jìn)制數(shù)的機(jī)器語(yǔ)言，這種翻譯程序被稱(chēng)為匯編程序。因?yàn)閰R編指令和機(jī)器語(yǔ)言之間有著一

一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這可比英譯漢或漢譯英簡(jiǎn)單多了。

高級(jí)語(yǔ)言是偏向人，按照人的思維方式設(shè)計(jì)的，機(jī)器對(duì)這些可是莫名奇妙，不知所謂。魚(yú)與熊掌的故事

在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言中發(fā)生了。于是必須要有一個(gè)橋梁來(lái)銜接兩者，造橋可不是一件簡(jiǎn)單的事情。當(dāng)你越想方

便，那橋就得越復(fù)雜。那高級(jí)語(yǔ)言是如何變成機(jī)器語(yǔ)言的呢，這個(gè)過(guò)程讓我慢慢道來(lái)。

編譯：將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器可認(rèn)識(shí)代碼的過(guò)程。編譯程序讀取源程序（字符流），對(duì)之進(jìn)行詞法和語(yǔ)法

的分析，將高級(jí)語(yǔ)言指令轉(zhuǎn)換為功能等效的匯編代碼，再由匯編程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言，并且按照操作系

統(tǒng)對(duì)可執(zhí)行文件格式的要求鏈接生成可執(zhí)行程序。技術(shù)顧問(wèn)郭老師qq754634522

C源程序－>編譯預(yù)處理－>編譯－>優(yōu)化程序－>匯編程序－>鏈接程序－>可執(zhí)行文件

1.編譯預(yù)處理讀取c源程序，對(duì)其中的偽指令（以#開(kāi)頭的指令）和特殊符號(hào)進(jìn)行處理。

偽指令主要包括以下四個(gè)方面

（1）宏定義指令，如# define Name TokenString,#undef等。對(duì)于前一個(gè)偽指令，預(yù)編譯所要作得的

是將程序中的所有Name用TokenString替換，但作為字符串常量的Name則不被替換。對(duì)于后者，則將取

消對(duì)某個(gè)宏的定義，使以后該串的出現(xiàn)不再被替換。

（2）條件編譯指令，如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。這些偽指令的引入使得程序員可

以通過(guò)定義不同的宏來(lái)決定編譯程序?qū)δ男┐a進(jìn)行處理。預(yù)編譯程序?qū)⒏鶕?jù)有關(guān)的文件，將那些不必

要的代碼過(guò)濾掉。

（3）頭文件包含指令，如#include "FileName"或者#include <FileName>等。在頭文件中一般用偽指

令#define定義了大量的宏（最常見(jiàn)的是字符常量），同時(shí)包含有各種外部符號(hào)的聲明。采用頭文件的

目的主要是為了使某些定義可以供多個(gè)不同的C源程序使用。因?yàn)樵谛枰玫竭@些定義的C源程序中，只

需加上一條#include語(yǔ)句即可，而不必再在此文件中將這些定義重復(fù)一遍。預(yù)編譯程序?qū)杨^文件中的

定義統(tǒng)統(tǒng)都加入到它所產(chǎn)生的輸出文件中，以供編譯程序?qū)χM(jìn)行處理。

包含到c源程序中的頭文件可以是系統(tǒng)提供的，這些頭文件一般被放在/usr/include目錄下。在程序中

#include它們要使用尖括號(hào)（<>）。另外開(kāi)發(fā)人員也可以定義自己的頭文件，這些文件一般與c源程序

放在同一目錄下，此時(shí)在#include中要用雙引號(hào)（""）。

（4）特殊符號(hào)，預(yù)編譯程序可以識(shí)別一些特殊的符號(hào)。例如在源程序中出現(xiàn)的LINE標(biāo)識(shí)將被解釋為當(dāng)

前行號(hào)（十進(jìn)制數(shù)），F(xiàn)ILE則被解釋為當(dāng)前被編譯的C源程序的名稱(chēng)。預(yù)編譯程序?qū)τ谠谠闯绦蛑谐霈F(xiàn)

的這些串將用合適的值進(jìn)行替換。

預(yù)編譯程序所完成的基本上是對(duì)源程序的“替代”工作。經(jīng)過(guò)此種替代，生成一個(gè)沒(méi)有宏定義、沒(méi)有條

件編譯指令、沒(méi)有特殊符號(hào)的輸出文件。這個(gè)文件的含義同沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的源文件是相同的，但內(nèi)容

有所不同。下一步，此輸出文件將作為編譯程序的輸出而被翻譯成為機(jī)器指令。

2.編譯階段

經(jīng)過(guò)預(yù)編譯得到的輸出文件中，將只有常量。如數(shù)字、字符串、變量的定義，以及C語(yǔ)言的關(guān)鍵字，如

main,if,else,for,while,{,},+,-,*,\，等等。預(yù)編譯程序所要作得工作就是通過(guò)詞法分析和語(yǔ)法分析

，在確認(rèn)所有的指令都符合語(yǔ)法規(guī)則之后，將其翻譯成等價(jià)的中間代碼表示或匯編代碼。

3.優(yōu)化階段

優(yōu)化處理是編譯系統(tǒng)中一項(xiàng)比較艱深的技術(shù)。它涉及到的問(wèn)題不僅同編譯技術(shù)本身有關(guān)，而且同機(jī)器的

硬件環(huán)境也有很大的關(guān)系。優(yōu)化一部分是對(duì)中間代碼的優(yōu)化。這種優(yōu)化不依賴(lài)于具體的計(jì)算機(jī)。另一種

優(yōu)化則主要針對(duì)目標(biāo)代碼的生成而進(jìn)行的。上圖中，我們將優(yōu)化階段放在編譯程序的后面，這是一種比

較籠統(tǒng)的表示。

對(duì)于前一種優(yōu)化，主要的工作是刪除公共表達(dá)式、循環(huán)優(yōu)化（代碼外提、強(qiáng)度削弱、變換循環(huán)控制條件

、已知量的合并等）、復(fù)寫(xiě)傳播，以及無(wú)用賦值的刪除，等等。

后一種類(lèi)型的優(yōu)化同機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，最主要的是考慮是如何充分利用機(jī)器的各個(gè)硬件寄存器

存放的有關(guān)變量的值，以減少對(duì)于內(nèi)存的訪問(wèn)次數(shù)。另外，如何根據(jù)機(jī)器硬件執(zhí)行指令的特點(diǎn)（如流水

線、RISC、CISC、VLIW等）而對(duì)指令進(jìn)行一些調(diào)整使目標(biāo)代碼比較短，執(zhí)行的效率比較高，也是一個(gè)重

要的研究課題。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到的匯編代碼必須經(jīng)過(guò)匯編程序的匯編轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)器指令，方可能被機(jī)器執(zhí)行。

4.匯編過(guò)程

匯編過(guò)程實(shí)際上指把匯編語(yǔ)言代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器指令的過(guò)程。對(duì)于被翻譯系統(tǒng)處理的每一個(gè)C語(yǔ)言源

程序，都將最終經(jīng)過(guò)這一處理而得到相應(yīng)的目標(biāo)文件。目標(biāo)文件中所存放的也就是與源程序等效的目標(biāo)

的機(jī)器語(yǔ)言代碼。

目標(biāo)文件由段組成。通常一個(gè)目標(biāo)文件中至少有兩個(gè)段：

代碼段該段中所包含的主要是程序的指令。該段一般是可讀和可執(zhí)行的，但一般卻不可寫(xiě)。

數(shù)據(jù)段主要存放程序中要用到的各種全局變量或靜態(tài)的數(shù)據(jù)。一般數(shù)據(jù)段都是可讀，可寫(xiě)，可執(zhí)行的

。

UNIX環(huán)境下主要有三種類(lèi)型的目標(biāo)文件：

（1）可重定位文件其中包含有適合于其它目標(biāo)文件鏈接來(lái)創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行的或者共享的目標(biāo)文件的代

碼和數(shù)據(jù)。

（2）共享的目標(biāo)文件這種文件存放了適合于在兩種上下文里鏈接的代碼和數(shù)據(jù)。第一種事鏈接程序可

把它與其它可重定位文件及共享的目標(biāo)文件一起處理來(lái)創(chuàng)建另一個(gè)目標(biāo)文件；第二種是動(dòng)態(tài)鏈接程序?qū)?br />
它與另一個(gè)可執(zhí)行文件及其它的共享目標(biāo)文件結(jié)合到一起，創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程映象。

（3）可執(zhí)行文件它包含了一個(gè)可以被操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行之的文件。

匯編程序生成的實(shí)際上是第一種類(lèi)型的目標(biāo)文件。對(duì)于后兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個(gè)就

是鏈接程序的工作了。

5.鏈接程序

由匯編程序生成的目標(biāo)文件并不能立即就被執(zhí)行，其中可能還有許多沒(méi)有解決的問(wèn)題。例如，某個(gè)源文

件中的函數(shù)可能引用了另一個(gè)源文件中定義的某個(gè)符號(hào)（如變量或者函數(shù)調(diào)用等）；在程序中可能調(diào)用

了某個(gè)庫(kù)文件中的函數(shù)，等等。所有的這些問(wèn)題，都需要經(jīng)鏈接程序的處理方能得以解決。

鏈接程序的主要工作就是將有關(guān)的目標(biāo)文件彼此相連接，也即將在一個(gè)文件中引用的符號(hào)同該符號(hào)在另

外一個(gè)文件中的定義連接起來(lái)，使得所有的這些目標(biāo)文件成為一個(gè)能夠被操作系統(tǒng)裝入執(zhí)行的統(tǒng)一整體

。

根據(jù)開(kāi)發(fā)人員指定的同庫(kù)函數(shù)的鏈接方式的不同，鏈接處理可分為兩種：

（1）靜態(tài)鏈接在這種鏈接方式下，函數(shù)的代碼將從其所在地靜態(tài)鏈接庫(kù)中被拷貝到最終的可執(zhí)行程序

中。這樣該程序在被執(zhí)行時(shí)這些代碼將被裝入到該進(jìn)程的虛擬地址空間中。靜態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)際上是一個(gè)目

標(biāo)文件的集合，其中的每個(gè)文件含有庫(kù)中的一個(gè)或者一組相關(guān)函數(shù)的代碼。

（2）動(dòng)態(tài)鏈接在此種方式下，函數(shù)的代碼被放到稱(chēng)作是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或共享對(duì)象的某個(gè)目標(biāo)文件中。鏈

接程序此時(shí)所作的只是在最終的可執(zhí)行程序中記錄下共享對(duì)象的名字以及其它少量的登記信息。在此可

執(zhí)行文件被執(zhí)行時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的全部?jī)?nèi)容將被映射到運(yùn)行時(shí)相應(yīng)進(jìn)程的虛地址空間。動(dòng)態(tài)鏈接程序?qū)?br />
根據(jù)可執(zhí)行程序中記錄的信息找到相應(yīng)的函數(shù)代碼。

對(duì)于可執(zhí)行文件中的函數(shù)調(diào)用，可分別采用動(dòng)態(tài)鏈接或靜態(tài)鏈接的方法。使用動(dòng)態(tài)鏈接能夠使最終的可

執(zhí)行文件比較短小，并且當(dāng)共享對(duì)象被多個(gè)進(jìn)程使用時(shí)能節(jié)約一些內(nèi)存，因?yàn)樵趦?nèi)存中只需要保存一份

此共享對(duì)象的代碼。但并不是使用動(dòng)態(tài)鏈接就一定比使用靜態(tài)鏈接要優(yōu)越。在某些情況下動(dòng)態(tài)鏈接可能

帶來(lái)一些性能上損害。本文轉(zhuǎn)載

經(jīng)過(guò)上述五個(gè)過(guò)程，C源程序就最終被轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件了

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