基于RISC-V的编译链接和装载06之编译

基于RISC-V的编译链接和装载06之编译

目录

• 基于RISC-V的编译链接和装载06之编译
  • 1 程序为什么要编译？
  • 2 编译的过程
    • 2.1 预处理（Prepressing）
    • 2.2 编译（Compilation）
    • 2.3 汇编（Assembly）
    • 2.4 链接（Linking）
  • 3 交叉编译
  • 4 编译问题探讨
    • 4.1 为什么编译要分节？
    • 4.2 从源码到目标文件

这篇文档主要讲述编译以及交叉编译。

1 程序为什么要编译？

编译的过程其实就是将源程序翻译成CPU能够识别的二进制机器指令的过程。

源代码（方便人类阅读）：

例如，如下helloworld.c代码，这是给人类看的代码，CPU并不理解什么意思，因为CPU只认识二进制机器码。

/* helloworld.c */
#include <stdio.h>

int main(void)
{
  printf("hello, world\n");
  return 0;
}

机器码（方便CPU阅读）：

CPU只认识二进制机器码，如下是helloworld ELF的反汇编（局部），三列内容分别是地址，二进制机器码，对应的汇编指令。实际放到内存中的只有机器码，也即第二列的内容。

   # 第一列：地址  二列：机器码              三列：反汇编指令
   10450 <main>:
   10450:       6541                    lui     a0,0x10
   10452:       1141                    addi    sp,sp,-16
   10454:       50850513                addi    a0,a0,1288 # 10508 <_IO_stdin_used+0x8>
   10458:       e406                    sd      ra,8(sp)
   1045a:       fe7ff0ef                jal     10440 <puts@plt>
   1045e:       60a2                    ld      ra,8(sp)
   10460:       4501                    li      a0,0
   10462:       0141                    addi    sp,sp,16
   10464:       8082                    ret

如果某天，哪个大神直接使用01来编程，那么CPU直接可以理解，就不需要编译汇编等过程了。

2 编译的过程

一些底层软件面试总爱问一个问题：编译过程分为哪几步？

这个问题比较基础，主要通过这个问题来了解面试者对编译链接过程是否有一些概念。

对于C语言类似的编译性语言：

• 编译如果从广义来说，表示源码从预处理（Prepressing）->编译（Compilation）->汇编（Assembly）->链接（Linking）的整个流程；

• 狭义上的编译就是其中编译（从预处理.i 文件到汇编代码.s 文件）这一步；

2.1 预处理（Prepressing）

对于C语言，预处理一般之使用#号标记的语句，提供预处理命令是为了方便编程：

常见的预处理命令如下表：

类别	命令	主要用途
文件包含	#include	插入头文件内容，可以实现模块化编程
宏定义	#define、#undef	定义/取消符号常量或宏函数，提高程序可读性
条件编译	#if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif	选择性编译代码，方便让代码兼容不同的处理器平台
错误/警告	#error、#warning	编译时输出消息
调试优化相关	#line、#pragma	修改行号、编译器指令
字符串化	#、##	宏参数转换（宏内使用）

预处理过程主要包括以下操作：

1. 头文件展开，将#include包含的头文件展开
2. 宏展开，将#define定义的常量展开
3. 条件编译，处理#if、#ifdef、#endif等包括的内容，丢弃掉其余分支
4. 删除注释，注释是给人类阅读的，机器完全不需要
5. 添加行号与文件标识

2.2 编译（Compilation）

一个完整的编译（狭义）过程通常分为以下几个主要阶段：

阶段	说明
1. 词法分析（Lexical Analysis）	将源代码分解成“词法单元”（Tokens），如关键字、标识符、运算符等
2. 语法分析（Syntax Analysis / Parsing）	根据语言的语法规则，将 Token 流构建成抽象语法树（AST）
3. 语义分析（Semantic Analysis）	检查 AST 是否符合语言的语义规则（如类型匹配、变量声明等），并生成带注解的 AST
4. 中间代码生成（Intermediate Code Generation）	将 AST 转换为一种与目标机器无关的中间表示（IR），如 GIMPLE、RTL、LLVM IR 等
5. 优化（Optimization）	对中间代码进行各种优化（如常量折叠、死代码消除、循环优化等）
6. 目标代码生成（Code Generation）	将优化后的中间代码转换为目标架构的汇编代码

2.3 汇编（Assembly）

汇编过程是将汇编代码（.s） 翻译成目标文件（.o），同时构建 ELF 结构的过程。

换句话说：汇编过程是将汇编代码翻译成对应的二进制指令，同时生成一些必要信息，以节(section)的形式组装到目标文件中。

2.4 链接（Linking）

链接器将多个目标文件"粘合"成一个完整的程序，解决跨文件符号引用，为代码和数据分配最终的运行时地址，并生成操作系统可直接加载执行的 ELF 文件。

后面几篇会重点介绍静态链接与动态链接。

3 交叉编译

在一个平台上使用工具生成另一个平台（目标平台）可运行的程序，这个过程就是交叉编译。

比如我们用RISC-V交叉编译工具链riscv64-unknown-linux-gnu-gcc 在x86 机器上编译出能在RISC-V平台运行的ELF，而这个ELF不能在x86 intel机器上运行，原因是显而易见的，交叉编译出的指令是RISC-V指令，在x86 intel上运行会失败（报非法指令）。

GCC编译中-I -L -l 等参数的使用：

交叉编译要熟练掌握riscv64-unknown-linux-gnu-gcc 与 -I, -L, -l 选项的搭配使用，这三个选项分别控制编译和链接过程中对头文件、库文件路径和库名称的搜索，熟练掌握这三者的使用，是进行复杂项目交叉编译的基础。

选项	全称/含义	作用阶段	作用
-I	Include	预处理阶段 (Preprocessing)	指定编译器搜索 头文件**（.h, .hpp）的额外目录
-L	Library Path	链接阶段 (Linking)	指定链接器搜索库文件（.a, .so）的额外目录
-l	link library	链接阶段 (Linking)	指示链接器链接指定名称的库文件。它会自动查找 lib<name>.a 或 lib<name>.so

交叉编译举例：

$ riscv64-unknown-linux-gnu-gcc \
    -I/path/to/libA/include \           # -I告诉编译器去哪找头文件， -I 可以有多个
    main.c              \
    -L/path/to/libA/lib \               # 告诉链接器去哪找 libmylib.a, -L 可以有多个
    -lmylib \                           # 告诉链接器要链接 libmylib.a (自动补全为 libmylib.a/.so)
    -lpthread \                         # 告诉链接器要链接 libpthread (系统库)
    -o main

链接库有三种写法：

链接库有如下三种写法，其区别如下：

写法	示例	特点
-l + -L	-L.../lib -lmylib	简洁，但 .so/.a 选择不可控，优先找 .so（动态），找不到才用 .a（静态），除非链接参数指定-static
全路径	.../lib/libmylib.a	最明确，但路径写死，不便移植，常用于只想要某个特定库文件、避免歧义
-l:	-L.../lib -l:libmylib.a	可以精确选择 .a 还是 .so，同时仍享受 -L 的搜索路径

一定要注意链接顺序：

链接顺序在 C/C++ 编译中很重要，这涉及到符号解析的算法。

牢记：源文件在前，库在后

记住如下一句话：

在大型 C/C++ 项目中，调整链接库的顺序往往是解决 undefined reference（找不到符号）或隐藏 Bug 的终极手段。

更细致的讨论参考：链接顺序的影响

4 编译问题探讨

4.1 为什么编译要分节？

源代码编译后，代码部分会放到.text节，数据部分会放到.data节，只读数据放到.rodata节等等，之前一直有个疑问，为什么要分节，分节有什么好处，不分节行不行？以下对这些情况进行分析：

有如下原因：

原因1：安全原因（最致命）

现代操作系统和 CPU 遵循 W^X（Write or eXecute, but not both）安全原则，也即：

• .text 节（代码）：标记为 可执行（X）、可读（R），但 不可写（W）
• .data 节（数据）：标记为 可读（R）、可写（W），但 不可执行（X）

如果代码和数据混合在一起，攻击者可能向数据区写入恶意机器码（如缓冲区溢出），然后跳转到该数据区执行，实现代码注入攻击。通过分离 .text 和 .data，操作系统可以避免这种攻击。

原因2：性能原因：

现代 CPU 通常采用 哈佛架构（Harvard Architecture）的缓存设计，CPU 可以同时从 I-Cache 取指令，从 D-Cache 读写数据，如果代码和数据混合，缓存效率会显著下降。

原因3：内存共享：

多个进程运行同一个程序时，.text 节可以共享物理内存页（只读 + 可执行），每个进程的 .data 节必须有独立副本（可写），如果代码和数据混合，就无法实现这种高效的内存共享。

原因4：链接与重定位的便利性：

在链接阶段，链接器需要对代码中的符号引用进行重定位（Relocation）。如果代码和数据混合，重定位表会变得极其复杂，难以管理。

分离后：.text 节的重定位集中在代码段，.data 节的重定位集中在数据段，链接器可以按节处理，逻辑清晰。

总结:

分离 .text 和 .data 是现代操作系统和硬件协同设计的结果，是安全性、性能和可维护性的必然要求。

4.2 从源码到目标文件

从编码经过预处理（Prepressing）->编译（Compilation）->汇编（Assembly） 得到目标文件，那具体是哪个步骤产生节呢？

答案是汇编这一步，从汇编文件汇编后得到节

具体来说：

• 编译（狭义）生成的是汇编代码（.s 文件），它只“标记”了节的归属；在 .s 文件中，编译器会插入各种汇编伪指令（Directives），其中最核心的就是 .section，用来告诉汇编器：“接下来的内容属于哪个节”。
• 汇编器真正把代码和数据“打包”成目标文件中各个节（Section）

下图来自《程序员的自我修养—链接、装载与库》的3.2节：

由图可见，其元素的空间分配符合下表：

程序中的元素	分配的节
代码	.text节
字符串常量以及const常量	.rodata节
已初始化的全局变量	.data节
已初始化的局部静态变量	.data节
初始化为0的全局变量	.bss节
未初始化全局变量	.bss节
未初始化的局部静态变量	.bss节
局部变量	栈空间

参考：

1. Makefile的使用
2. 程序编译(1)-目标文件的编译步骤 - jesonwoo - 博客园
3. 《程序员的自我修养—链接、装载与库》
4. RISC-V Binutils工具链04之ld工具的使用