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标题: 【C语言编译】编译原理和详细过程 [打印本页]

作者: 三尺非寒 时间: 2025-5-6 22:46
标题: 【C语言编译】编译原理和详细过程
1. C 语言编译原理和详细过程

编译是将源代码转换为盘算机可实行的二进制文件的过程，整个过程主要分为四个阶段: 预处理处罚; 编译; 汇编; 链接。
1.1 预处理处罚阶段

工具：预处理处罚器
输入：.c 源文件
输出：.i 预处理处罚后的文件
预处理处罚阶段做的主要工作：

宏睁开：将全部#define界说的宏进行文本替换
头文件包罗：递归睁开#include指令，将头文件内容插入源代码
条件编译：处理处罚条件编译指令（如#ifdef等命令），根据条件保留或删除代码块（如调试代码）
删除注释

1.2 编译阶段

工具：编译器
输入：.i文件
输出：.s汇编代码文件
编译阶段做的主要工作：

词法分析：将代码拆分为token（如标识符，关键字，运算符）
语法分析：构建抽象语法树（AST）,检查语法是否符合C标准（如检查括号是否匹配，语句是否合法）
语义分析：检查类型匹配，变量声明，作用域规则
中间代码生成：生成与平台无关的中间体现（如三地点码）
代码优化：对中间代码进行优化。如删除冗余代码、常量折叠等
目标代码生成：将优化后的中间代码转换为目标平台的汇编代码

1.3 汇编阶段

工具：汇编器
输入：.s汇编文件
输出：.o目标文件，即二进制呆板码
汇编阶段做的主要工作：

指令转换：将汇编代码逐行转换为呆板码
生成目标文件：生成包罗呆板码、符号表、重定位信息的**.o文件**

1.4 链接阶段

工具：链接器
输入：多个.o目标文件+静态库.a文件
输出：可实行文件
链接阶段做的主要工作：

符号剖析：解决跨文件的函数或变量引用。如main.o中调用printf函数，则需找到该函数在libc.a中的界说
重定位：合并全部目标文件的代码段、数据段，分配最终内存地点；修正符号表中的地点偏移量
库文件处理处罚：
　　- 静态链接：将静态库.a代码直接复制到可实行文件中
　　- 动态链接：记载动态库.so的路径，运行时加载
生成可实行文件：生成符合操纵体系格式的可实行文件

注：可实行文件分为 代码段（.text）、数据段（.data）、未初始化数据段（.bss） 等
经过这一系列过程，c源代码最终变成了操纵体系可直接实行的二进制文件运行时由加载器将其读入内存并实行。
2. 疑问点剖析

2.1 三地点码是什么？有什么作用

三地点码（Three-Address Code，TAC）是编译器中常用的一种中间体现（Intermediate Representation, IR）情势，它将复杂的表达式和语句拆解为一系列简单的指令，每条指令最多包罗三个操纵数。它的核心目标是简化代码优化和目标代码生成的过程，同时保持与呆板无关的特性。
每条指令仅包罗一个操纵（如赋值，运算，跳转等），最多涉及三个操纵数，两个输入一个输出。常见的通用格式如下：

result = operand1 op operand2

复制代码

2.2 符号表是什么？有何作用

符号表是编译器/汇编器生成的一种数据布局，记载了步伐中全部符号的信息：

符号名称：如函数名、全局变量名称；
符号类型：函数、变量、静态/全局作用域等；
符号地点：在目标文件中的相对地点或内存地点。

符号分类：

全局符号：可被其他文件访问的符号，如extern变量、非static函数；
局部符号：仅在本文件内可见的符号，如static函数或变量；
外部符号：在本文件中使用但未界说的符号，如调用了其他文件中的函数。

在链接阶段，链接器通过符号表剖析不同目标文件之间的符号引用，如函数调用、变量访问等；符号表包罗了符号的地点和类型，支持调试器（如gdb）定位代码和变量（比如有时间调试的时间会导入符号表）；动态链接库.so必要依赖符号表在运行时绑定函数地点。
2.3 重定位的含义与作用

重定位时链接器在合并多个目标文件时，修正符号引用地点的过程。目标文件.o中的代码和数据地点是临时地点（基于偏移量的），链接器必要将其调解为最终可实行文件的绝对地点。
重定位表：每个目标文件都有一个重定位表，记载了必要修正的位置及其规则：

必要修正的偏移量：在目标文件中的位置；
符号名称：必要修正为哪个符号的地点；
重定位类型：怎样盘算最终地点，如相对地点或绝对地点。

重定位的作用：

合并多目标文件：将分散在多个.o文件中的代码和数据分配到同一的内存布局中；
剖析外部依赖：将未界说的符号绑定到库中的实际地点；
生成可实行文件：确保步伐运行时，全部指令和数据的地点准确。

2.3 符号表和重定位在整个编译过程中的作用

编译阶段会生成符号表并记载重定位信息：

生成符号表：编译器为每个.c文件生成.o目标文件，包罗符号表和代码；
记载重定位信息：编译器标记全部必要重定位的位置，如外部函数调用等。

链接阶段会进行符号剖析以及地点分配与重定位：

符号剖析：链接器会检查全部目标文件的符号表，确保每个符号有且仅有一个界说；
地点分配与重定位：链接器为全部符号分配最终地点，并修正代码中的引用。

即符号表是步伐符号的地点簿，记载了符号的界说和引用；重定位是链接器的修正工具，确保步伐可以准确访问全部符号。
2.4 动态链接库.so和静态链接库.a

动态链接库.so文件，是在步伐运行时被加载的，多个步伐可共享同一个库文件，节省内存和磁盘空间。
静态链接库.a文件，是在编译时被整合到可实行文件中，生成独立的可实行文件，不必要外部依赖。
静态链接库和动态链接库的主要区别：
特性静态库（.a）动态库（.so）链接方式编译时直接嵌入到可实行文件中步伐运行时动态加载文件体积可实行文件体积较大（包罗库代码）可实行文件体积较小（仅存引用）运行时依赖无需外部库文件必须存在对应的.so文件内存占用每个历程独立加载库代码，内存冗余多个历程共享同一份库代码，内存节省更新维护需重新编译整个步伐仅替换.so文件即可更新库功能加载速度启动快（代码已嵌入）启动稍慢（需加载动态库）兼容性风险无版本冲突问题需包管.so版本与步伐兼容常见使用场景嵌入式体系、独立工具、无依赖部署通用体系库（如libc）、多历程共享场景 示例：

静态链接：
1. gcc main.c -o program -L/path/to/libs -lstaticlib -static
复制代码
-static选项表明欺压静态链接全部库，包括库体系如libc
这样生成的program不依赖任何外部库。
动态链接：
1. gcc main.c -o program -L/path/to/libs -ldynamiclib
复制代码
默认链接动态库（优先查找.so），运行时需确保动态库在体系路径或通过LD_LIBRARY_PATH指定。
混合链接：
1. gcc main.c -o program -Wl,-Bstatic -lstaticlib -Wl,-Bdynamic -ldynamiclib
复制代码
- -Wl,-Bstatic：指定后续库静态链接。
- -Wl,-Bdynamic：规复为动态链接

2.5 不要肴杂.o文件和.so文件

.o文件是目标文件，通常是编译单个源文件后的输出，包罗呆板码和符号表，但还未经过链接，以是可能有未剖析的符号。
.so文件是动态链接库，是多个目标文件经过链接后生成的共享库，可以在运行时被多个步伐共享。
.o文件是编译阶段的产物，.so文件是链接阶段的产物；.so文件在步伐运行时加载，.o文件在链接时被合并到可实行文件或静态库中。
二者主要区别：
特性目标文件（.o）动态链接库（.so）生成阶段编译阶段的产物（单个源文件编译后生成）链接阶段的产物（多个目标文件或源码链接生成）内容包罗单个源文件编译后的呆板码、符号表、重定位信息包罗多个目标文件或源码的已链接代码，具有完整的符号剖析和地点分配用途作为中间文件，供后续链接生成可实行文件或库作为共享库，供步伐在运行时动态加载依赖关系未剖析的符号需在链接阶段解决符号已完全剖析，但需在运行时与主步伐或其他库动态绑定文件独立性无法单独运行，需链接后使用可独立存在，但需主步伐调用或动态加载内存共享不共享，每个历程独立加载多个历程可共享同一份.so的代码段，节省内存更新维护修改后需重新编译和链接更新.so后，主步伐无需重新编译（需接口兼容） .o文件，通过编译单个源文件生成，包罗呆板码、符号表和重定位信息。.o文件作为中间文件，以供后续链接器将全部.o文件合并为可实行文件或库（可被归档为静态库.a文件，本质上是多个.o的聚集）
.so文件，通过链接多个目标文件或源码生成，包罗完全链接的代码（全部的符号已剖析，除非依赖其他动态库）、位置无关代码（代码可加载到恣意内存地点运行）、导出符号表（声明库中可供外部调用的函数或变量）。.so文件是在步伐运行时由动态链接器加载到内存的，多个步伐可共享一份.so代码，减少内存占用，同时支持库的热更新（即替换.so文件后重启步伐见效）
总结：

.o文件是编译阶段的中间产物，用于后续链接；.so文件是链接后的动态库，用于运行时共享。
.o文件聚焦单个模块的编译结果，.so文件聚焦多模块的协作与动态加载。

3. 知识补充

【GCC】gcc编译学习
【GDB】gdb使用

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