GCC编译过程

gcc的编译流程分为四个步骤，分别为：
· 预处理（Pre-Processing）
· 编译（Compiling）
· 汇编（Assembling）
· 链接（Linking）
以hello.c为例子，在这四个步骤中可以设置选项分别生成hello.i, hello.s, hello.o以及最终的hello文件：
hello.c : 最初的源代码文件；
hello.i : 经过编译预处理的源代码；
hello.s : 汇编处理后的汇编代码；
hello.o : 编译后的目标文件，即含有最终编译出的机器码，但它里面所引用的其他文件中函数的内存位置尚未定义。
hello / a.out : 最终的可执行文件
(还有.a(静态库文件), .so(动态库文件), .s(汇编源文件)留待以后讨论)

下面就具体来查看一下gcc是如何完成四个步骤的。

hello.c源代码

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

（1）预处理阶段

在该阶段，编译器将上述代码中的stdio.h编译进来，并且用户可以使用gcc的选项”-E”进行查看，该选项的作用是让gcc在预处理结束后停止编译过程。

《深入理解计算机系统》中是这么说的：
预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令（directives），修改原始的C程序。如hello.c中#include <stdio.h>指令告诉预处理器读系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入到程序文本中去。结果就得到另外一个C程序，通常是以.i作为文件扩展名的。

注意：
Gcc指令的一般格式为：Gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]
其中，目标文件可缺省，Gcc默认生成可执行的文件名为：编译文件.out

[gan@localhost gcc]# gcc –E hello.c –o hello.i
选项”-o”是指目标文件，”.i”文件为已经过预处理的C原始程序。以下列出了hello.i文件的部分内容：

typedef int (*__gconv_trans_fct) (struct __gconv_step *,
struct __gconv_step_data *, void *,
__const unsigned char *,
__const unsigned char **,
__const unsigned char *, unsigned char **,
size_t *);

…

# 2 "hello.c" 2

int main()
{
printf("Hello World!\n");
return 0;
}

由此可见，gcc确实进行了预处理，它把”stdio.h”的内容插入到hello.i文件中。

（2）编译阶段

接下来进行的是编译阶段，在这个阶段中，Gcc首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，Gcc把代码翻译成汇编语言。用户可以使用”-S”选项来进行查看，该选项只进行编译而不进行汇编，生成汇编代码。汇编语言是非常有用的，它为不同高级语言不同编译器提供了通用的语言。如：C编译器和Fortran编译器产生的输出文件用的都是一样的汇编语言。

[gan@localhost gcc]# gcc –S hello.i –o hello.s
以下列出了hello.s的内容，可见Gcc已经将其转化为汇编了，感兴趣的读者可以分析一下这一行简单的C语言小程序是如何用汇编代码实现的。
.file "hello.c"
.section .rodata
.align 4

.LC0:
.string "Hello World!"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl $8, %esp
andl $-16, %esp
movl $0, %eax

addl $15, %eax
addl $15, %eax
shrl $4, %eax
sall $4, %eax
subl %eax, %esp
subl $12, %esp
pushl $.LC0

call puts
addl $16, %esp
movl $0, %eax
leave
ret
.size main, .-main
.ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits

（3）汇编阶段

汇编阶段是把编译阶段生成的”.s”文件转成目标文件，读者在此可使用选项”-c”就可看到汇编代码已转化为”.o”的二进制目标代码了。如下所示：
[gan@localhost gcc]# gcc –c hello.s –o hello.o

（4）链接阶段

在成功编译之后，就进入了链接阶段。在这里涉及到一个重要的概念：函数库。

在这个源程序中并没有定义”printf”的函数实现，且在预编译中包含进的”stdio.h”中也只有该函数的声明，而没有定义函数的实现，那么，是在哪里实现”printf”函数的呢？最后的答案是：系统把这些函数实现都被做到名为libc.so.6的库文件中去了，在没有特别指定时，gcc会到系统默认的搜索路径”/usr/lib”下进行查找，也就是链接到libc.so.6库函数中去，这样就能实现函数”printf” 了，而这也就是链接的作用。

函数库一般分为静态库和动态库两种。静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为”.a”。动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为”.so”，如前面所述的libc.so.6就是动态库。gcc在编译时默认使用动态库。
（Linux下动态库文件的扩展名为".so"（Shared Object）。按照约定，所有动态库文件名的形式是libname.so（可能在名字中加入版本号）。这样，线程函数库被称作 libthread.so。静态库的文件名形式是libname.a。共享archive的文件名形式是libname.sa。共享archive只是一种过渡形式，帮助人们从静态库转变到动态库。）
完成了链接之后，gcc就可以生成可执行文件，如下所示。

[gan@localhost gcc]# gcc hello.o –o hello

运行该可执行文件，出现正确的结果如下。
[root@localhost Gcc]# ./hello
Hello World!