C++源程序生成可执行文件过程

先看一段最简单的代码：
#include
int main (int argc,char* arg[])
{
printf(“hello world”);
return 0;
}
如何把上面的代码转换成可执行的代码呢，通常我们可以用gcc hello.c 在同样的路径下得到一个a.out的可执行文件。
其实gcc 编译链接一个可执行文件分为4个步骤：

1 预处理(Pre-Processing)
   预处理是对源代码的展开，包括把宏替换和头文件展开，我们可以通过gcc -E hello.c -o hello.i来对hello.c进行预处理，同时查看hello.i。
2 编译阶段(Compiling)
   编译阶段就是把经过预处理的源代码编译成汇编代码，在这个过程中还会对语法规范性进行差错处理。可以用gcc  -S hello.i -o hello.s
3 汇编阶段(Assembling)
   把上阶段的.s文件转变成机器可以理解的二进制文件，可以用gcc -C hello.s o hello.o
4 链接阶段(Linking)
   编译完成后就进入到链接阶段了，为什么要链接呢，可以在 hello.i中看出printf函数只是声明了并没有定义，链接就是找到该函数定义的地方把它融入到程序中来，没有特别声
   明的情况下gcc会再user/lib下得库函数中找到其声明的地方，printf是系统提高的函数，也可以调用我们自己写的函数。库函数又分为静态库和动态库，静态库通俗点理解就
   是在链接的阶段会把被链接的库函数和其他函数一起编译成二进制文件，而动态链接库是在程序运行的时候才去考虑是否应该把库函数加入到程序中来。

编译的概念：编译程序读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码，再由汇编程序转换为机器语言，并且按照操作系统对可执行文件格式的要求链接生成可执行程序。
编译的完整过程：C源程序－－>预编译处理（.c）－－>编译、优化程序（.asm、.s）－－>汇编程序（.obj、.o、.a）－－>链接程序（.exe等可执行文件）

1. 编译预处理(Preprocess)　
   　　读取C源程序，对其中的伪指令（以#开头的指令）和特殊符号进行处理。主要包括四类：宏定义、条件编译指令、头文件和特殊符号。
   　　预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代，生成一个没有宏定义、没有条件编译指令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的，但内容有所不同。
2. 编译、优化阶段(Compile)
   　　经过预编译得到的输出文件中，只有常量；如数字、字符串、变量的定义，以及C语言的关键字，如main,if,else,for,while,{,}, +,-,,/等等。
   　　编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析，在确认所有的指令都符合语法规则之后，将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。
   　　优化处理是编译系统中一项比较艰深的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关，而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。
   　　对于前一种优化，主要的工作是删除公共表达式、循环优化（代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等）、复写传播，以及无用赋值的删除，等等。
   　　后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关，最主要的是考虑是如何充分利用机器的各个硬件寄存器存放的有关变量的值，以减少对于内存的访问次数。另外，如何根据机器硬件执行指令的特点（如流水线、RISC、CISC、VLIW等）而对指令进行一些调整使目标代码比较短，执行的效率比较高，也是一个重要的研究课题。
   　　经过优化得到的汇编代码必须经过汇编程序的汇编转换成相应的机器指令，方可能被机器执行。
   3. 汇编过程(Assemble)
   　　汇编过程实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。对于被翻译系统处理的每一个c语言源程序，都将最终经过这一处理而得到相应的目标文件。目标文件中所存放的也就是与源程序等效的目标的机器语言代码。
   　　目标文件由段组成。通常一个目标文件中至少有两个段：
   　　代码段：该段中所包含的主要是程序的指令。该段一般是可读和可执行的，但一般却不可写。
   　　数据段：主要存放程序中要用到的各种全局变量或静态的数据。一般数据段都是可读，可写，可执行的。
   　　Win32平台上一般生成.obj文件，其拥有PE（Portable Executable，即Windows可执行文件）文件格式，包含的是二进制代码，但是不一定能执行。当编译器将一个工程里的所有.cpp文件以分离的方式编译完毕后，再由链接器进行链接成为一个.exe或.dll文件。
   4. 链接程序(Link)
   　　由汇编程序生成的目标文件并不能立即就被执行，其中可能还有许多没有解决的问题。
   　　例如，某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号（如变量或者函数调用等）；在程序中可能调用了某个库文件中的函数，等等。所有的这些问题，都需要经链接程序的处理方能得以解决。
   　　链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接，也即将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来，使得所有的这些目标文件成为一个能够诶操作系统装入执行的统一整体。
   　　根据开发人员指定的同库函数的链接方式的不同，链接处理可分为两种：
   　　（1）静态链接
   　　在这种链接方式下，函数的代码将从其所在地静态链接库中被拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合，其中的每个文件含有库中的一个或者一组相关函数的代码。
   　　（2）动态链接
   　　在此种方式下，函数的代码被放到称作是动态链接库或共享对象的某个目标文件中。链接程序此时所作的只是在最终的可执行程序中记录下共享对象的名字以及其它少量的登记信息。在此可执行文件被执行时，动态链接库的全部内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。
   　　对于可执行文件中的函数调用，可分别采用动态链接或静态链接的方法。使用动态链接能够使最终的可执行文件比较短小，并且当共享对象被多个进程使用时能节约一些内存，因为在内存中只需要保存一份此共享对象的代码。但并不是使用动态链接就一定比使用静态链接要优越。在某些情况下动态链接可能带来一些性能上损害。
   总结：
       C语言编译的整个过程是非常复杂的，里面涉及到的编译器知识、硬件知识、工具链知识都是非常多的，深入了解整个编译过程对工程师理解应用程序的编写是有很大帮助的，希望大家可以多了解一些，在遇到问题时多思考、多实践。
       一般情况下，我们只需要知道分成编译和连接两个阶段，编译阶段将源程序（.c）转换成为目标代码（一般是obj文件），链接阶段是把源程序转换成的目标代码（obj文件）与你程序里面调用的库函数对应的代码连接起来形成对应的可执行文件（exe文件）就可以了，其他的都需要在实践中多多体会才能有更深的理解。

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作者：syp35
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/SYP35/article/details/77774279
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