C/C++ 程序编译与链接的过程详解（静态链接）

我们知道一个程序的执行需要经过编译和链接两个阶段，其过程究竟是怎样的呢？

程序的编译阶段分为以下几个步骤，分别是预编译、编译、汇编、生成二进制可重定向文件（.o）。

1. 预编译： 首先是源代码文件xxx.c和相关的头文件被预编译器编译成一个.i文件。对于C++程序来说，源代码的扩展名可能是.cpp或.cxx，头文件的扩展名是.hpp，而编译后的文件扩展名是.ii。
   第一步的预编译过程相当于如下指令：
   gcc -E hello.c -o hello.i 或 cpp hello.c > hello.i.
   预编译过程做的事情：处理所有以#开头的预编译指令，删除注释，添加行号和文件名标识，保留所有的#pragma编译器指令（因为编译器要使用它们）。

2. 编译：进行语法分析、词法分析和语义分析，并且将代码优化后产生相应的汇编代码文件（ASCLL文件），即.s 文件。这个过程是整个程序构建的核心部分，也是最复杂的部分之一。
   相当于如下指令：
   gcc -S hello.i -o hello.s

3. 汇编：通过不同平台（Windows、Linux）的汇编器将汇编代码翻译成机器码，即生成二进制可重定向文件（.o）。
   相当于指令：
   as hello.s -o hello.o 或 gcc -c hello.s -o hello.o
   或者使用gcc命令将源文件一部生成目标文件：
   gcc -c hello.c -o hello.o
   何为二进制可重定向文件（.o）？为什么是可重定向文件？
   二进制可重定向文件包含二进制代码和数据，其形式可以在链接时与其他二进制可重定向文件合并起来，由链接器产生一个可执行目标文件。
   一个典型的二进制可重定向文件格式如下图：

   

   我自己编写了两个文件：
   mian.c

#include 

int sum(int, int);

int main.c
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    printf("sum=%d\n", sum(a, b));

    return 0;
}

a.c

int sum(int x, int y)
{
    return x + y;
}

用命令
gcc -c main.c a.c 生成.o文件，并用命令objdump -t main.o去查看生成的符号表，如下图所示：

那为什么是可重定向呢？
在编译阶段编译器和汇编器会生成每个文件的符号表，符号表中存放的是由程序产生的符号，比如函数名，变量名等，从上图可以看出，编译器没有给符号分配正确的地址（图中地址全为0000 0000），所以在代码段计算机指令无法找到相应的变量或函数的地址，因此，二进制可重定向文件是无法执行的。所以二进制可重定向文件得等到重定向以后才成为可执行文件。

程序的链接阶段可分为两个步骤：
第一步：链接器首先将多个.o 文件相应的段进行合并，建立映射关系并且去合并符号表。进行符号解析（符号解析的目的是让所有符号的引用找到该符号的定义，如上图中UND后面的符号），符号解析完成后就是给符号分配虚拟地址。

第二步：将分配好的虚拟地址与符号表中的定义的符号一一对应起来，使其成为正确的地址，是代码段的指令可以根据符号的地址执行相应的操作，最后由链接器生成可执行文件。