《程序员的自我修养》读书笔记——一个程序是如何运行起来的一：源代码怎么变成可执行文件
先来看一个程序
#include
int main()
{
printf("Hello World!\n");
return 0;
}
这个程序可以说是每一个程序员写出来的第一个程序。可是它到底是怎么在一个计算机上运行起来呢？
众所周知，计算机是不认识这些单词的，计算机只能识别0101的二进制文件。所以我们首要的任务就是把这个c语言文件转换成一个二进制文件。
我们这里只讨论编译过程，屏蔽硬件知识。
罗马不是一天建成的，编译（bulid)的过程也不是一步完成的。
一个源文件编译1成可执行文件的过程可以分成四个步骤：预编译、编译2、汇编、链接
若是从高级语言的bulid过程来看，这四个步骤是从前到后的顺序，但是如果从发展历史来看，越靠后资历越老。鉴于大多数资料可能都是从前往后的顺序来讲的，那我们反其道而行之，我们先从爷爷辈的来讲，简单的贯穿一下发展历史。然后在自顶向下再来将一遍。
链接
这个是资历最老的一个过程，也是最容易被忽略的。
很久以前，人们没有磁盘，没有高级语言，甚至没有汇编语言。那个时候的程序员怎么写程序呢？
对，用010101，用计算机能看懂的二进制来写程序，不同的01组合表示不同的指令。那当时也没有磁盘这些东西，他们写到哪里呢？-写到纸带上，打个孔就代表0，否则为1。如图，可见当时的程序员和现在的程序员不是一个概念了…（牛X）
一个程序并不是一个人来完成的（况且全都是二进制，一个人写要死啊），而是将程序分成不同的模块，由不同的人来编写，这一点和我们现在编程也是一样的。
三个人写，那么就有三条纸带，那么现在！链接的概念就来了，暂且不管他是用胶水还是用啥高级的东西，总之得需要把这三条纸带连起来，这就是链接。
说完链接，我们还需要在引入一个概念叫做链接器
链接器
后来有些程序员觉得，每次都要手动链接，这也太麻烦了，于是他们就造了一个可以自动链接的机器，就叫链接器。
要将链接器，我们就需要拓展一下知识，学过计算机组成原理的同学都知道，计算机有一条指令叫做jump，也就是跳转指令。没学过计组也没关闭，毕竟你现在知道了。
让我们穿梭时空，看看当时上文中三个程序员写了个啥程序。我们用伪指令来看一下。
程序员A
1 一个操作
2 跳转到第6行
3 一个操作
4 跳转到第9行
5 一个操作
程序员B
6 一个操作
7 跳转到3
8 一个操作
程序员C
9 一个操作
10 一个操作
所以你现在明白了链接就是把1-10行连接起来。
有的同学可能会问：A在写程序的时候怎么知道，第2行是要跳转到第6行呢？
A刚开始写的时候当然不知道，他也是等B写完之后又把这个6,以及后面的9加上的。
程序写好之后并不是一成不变的，B某一天发现自己程序里面的一个BUG
于是呢，他就需要修改一个他的那一部分，他就在第6行之前又新加了一行，成了这样：
6 一个操作
7 一个操作
8 跳转到3
9 一个操作
相应的C的编号就要向后移动。
虽然B的bug改完了，但是由于从第6行开始编号都往后移动了，而且程序里面存在这许多跳转语句。A就不得不修改他的跳转语句。例如将第二行修改为：跳转到7
这个重新计算跳转目标地址的过程也就是我们常说的重定位
来来来，不要忘了我们这一节的主题是什么。链接器
由于繁琐的重定位，程序员表示十分崩溃，所以就有了可以自动重定位的链接器。
关于链接，我们暂时先了解这么多。至于链接器是怎么自动重定位的，我们先把汇编看了再来说。
汇编
汇编语言是比机器语言更高一级的语言。
机器语言中跳转指令是0001，实在是太难记了，我们能不能用个好记一点的东西呢。于是汇编语言就诞生了，它用 jmp（jump）这三个字母来表示跳转指令，当输入jmp的时候汇编器会将其翻译成0001，这样一来就大大提高了可读性和效率。
汇编语言诞生的另一个原因就和链接有关系了，这也是链接器的工作原理。
上文中，我们说到了链接器是用来自动重定位的。
当B修改了他的代码之后，链接器在链接的时候怎么知道该把A从的地址重定位到哪里呢？ 答案是：不知道。
但是我们现在有了汇编语言，我们不再需要用0001 0110（后四位表示地址，0110也就是6），这个指令来跳转了。
我们只需要在第六行设置个标签，比如说为label_b，然后A中的跳转指令就为 jump label_b。汇编器在翻译的时候就知道label_b是一个地址，那么到底在哪呢？这就不是汇编器该操心的事了，这就是链接器的活了。
链接器在链接的时候就会去找label_b的地址，然后给填进去。
这样一来，无论怎么修改代码，都不需要人为的重定位了。
上面主要是讲了汇编和链接器的一些关系和汇编的由来。
回到主题：汇编就是用简单的助记符来记住那些难记的机器指令。
编译与预编译
编译就是把高级语言经过一系列复杂过程最终编译成汇编语言。
至于它是怎么编译的，这就有衍生出了一个专门的课程，叫做编译原理。我们暂且不用管。
至此我们差不多将编程语言的发展历史串了一遍。
那么我们回到本文的主题——一个程序是如何运行起来的。
我们带着代码一点一点的剖析，来看一看每一个过程到底完成了哪些事。
正文开始
现代的编译器把编译、链接的细节都隐藏起来了，我们只需要点击一下鼠标就可以完成从源代码到可执行文件的转变。
我们要做的就是一层一层给它剥开，相信看完了下面这些这些内容相信能给你打开新世界的大门。
预编译
预编译要做那些事情呢?
- 将#include 包含的所有文件内容包含进来。
- 去除注释
- 处理预编译指令
- 处理#define宏定义
其实还有一些，为了简单起见，先说这些，毕竟这些都是在刚刚接触c语法时会接触到的。
来看一个C文件hello.c
#include
int add(int a,int b);
#define Max 1
//main 函数
int main()
{
int a=0;
int b=Max;
int c=add(a,b);
printf("%d\n",c);
return 0;
}
（细心的同学可能发现了，add函数只定义了，但是没有实现啊！别急别急，我后面还有用呢)
linux 下执行命令：gcc -E hello.c -o hello.i
预处理之后的结果：传送门
代码量过大，容易引起不适。
我们只看主要的代码
# 2 "hello.c"
int add(int a,int b);
int main()
{
int a=0;
int b=1;
int c=add(a,b);
printf("%d\n",c);
return 0;
}
第一行是预处理自动加上的，是一条注释信息，可以忽略。
我们可以看到这就是预处理之后的结果，省略的一大坨就是stdio.h头文件的内容。
ok,这就是预编译的功能。
编译
Linux下调用命令：gcc -S hello.i -o hello.s
至于这个编译器到底是怎么编译的？我们在这里无需关系，这就是编译原理的事情了。
总之，它把我们预编译之后的文件编译成了汇编语言文件。
看不懂没关系，我们不用深究里面写了写什么。
.file "hello.c"
.text
.section .rodata
.LC0:
.string "%d\n"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl $0, -12(%rbp)
movl $1, -8(%rbp)
movl -8(%rbp), %edx
movl -12(%rbp), %eax
movl %edx, %esi
movl %eax, %edi
call add@PLT
movl %eax, -4(%rbp)
movl -4(%rbp), %eax
movl %eax, %esi
leaq .LC0(%rip), %rdi
movl $0, %eax
call printf@PLT
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
可能有的同学会问，那个add()函数没有定义是怎么编译成功的呢？
在编译器上编译会报错的啊！
上面我们提到过，编译器把所有过程都隐藏了起来，点击编译的时候，它实际上完成了从预编译到最终链接的全部过程。
我们现在所说的编译只是其中的一个过程，只要符合c语言的语法语义，就可以编译成功。
至于哪个函数有没有实现，到底在哪实现的，并不是编译器关心的事情，那是链接器关心的事情。
提一嘴，众所周知，C语言的入口是从main函数开始的。
如果可以自己写一个C语言的链接器，那么C语言的入口就可以我们自己来定义了。
汇编
汇编没什么特别要说的，就是按照规则把汇编语言翻译成机器语言。
Linux 命令： gcc -c hello.c -o hello.o
此时我们得到的hello.o仍然不是一个可执行文件而是一个中间文件，叫做目标文件。为什么？
add()函数啊！我们上面调用了add函数，但是我们并不知道这个函数在哪
我们新建一个文件add.c
int addd(int a,int b){
return a+b;
}
按照上面步骤得到它的目标文件 add.o
剩下的事不就和我们上面讲的3个程序员的故事差不多了吗。
我们只需要把两个文件链接起来，告诉hello.o文件add函数的地址在哪（重定位），不就好了。
链接
使用链接器 ld 将两个目标文件链接起来。
Linux：ld hello.o add.o -o hello.out
但是使用上述命令会报错，为什么呢？Linux系统，链接目标文件生成可执行文件比我们想象的要复杂许多，因为生成一个C++可执行文件，需要依赖很多系统库和相关的目标文件，比如C语言库libc.a。使用g++ -v命令可以查看最后一行collect2使用的命令选项，进而了解生成可执行文所需的相关依赖。3
g++ -v hello.c add.o
看不懂没关系，往下看就好。
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=g++
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper
OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none
OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-7/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++ --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-7 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-bootstrap --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-libmpx --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --with-target-system-zlib --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 7.5.0 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04)
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-shared-libgcc' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/ccSXMzne.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lgcc --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../.. hello.o h2.o -lstdc++ -lm -lgcc_s -lgcc -lc -lgcc_s -lgcc /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-shared-libgcc' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
可以看到倒数第二行collect2使用的命令参数，collect2 是 ld 的一个封装。
我们只要把collet2的参数复制到ld后面就可以了，然后在加上 -o hello.out。
就完成了链接，现在hello.out 就是一个可以运行起来的文件了！
本节就到这里，至于这个可执行文件是怎么运行起来的，请关注我下一篇吧～
学艺不精，能力有限。如有纰漏，多多指教！抱拳了
此处编译意思为将源文件转换从二进制文件的整个过程，其实用build更好，使用编译是为了便于理解 ↩︎
此处的编译为build的一个中间过程 ↩︎
参考资料：https://dablelv.blog.csdn.net/article/details/88094902 ↩︎