C语言：程序中的预处理、编译、汇编和链接过程

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1、写在前面的话

这篇博客主要记录下C语言程序从源文件变成可执行程序的过程，在Linux系统中，GCC执行这个过程分为四个阶段：预处理、编译、汇编和链接，整个过程是通过编译工具链实现的。

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2、预处理阶段（cpp）

命令 gcc -E main.c -o hello.i

说明：进行预处理操作时，预处理器会对以#开头的预处理命令进行处理。比如：#include ，预处理器会将系统中的stdio.h的具体内容读取到文本中，替换原有的#include ，得到一个新的C文件，也就是i文件。

备注：之后还会详细记录下预处理中的一些事情。

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3、编译阶段（cc）

命令 gcc -S main.i -o hello.s
或者 gcc -S main.c -o hello.s

说明：第一种方式是由编译器单独完成的，第二种是由预处理器和编译器一起完成的，编译器将main.i翻译成了main.s汇编文件，汇编程序是一条条通用的机器语言指令。

备注：编译时，编译器需要检查语法、函数与变量声明的正确，语法的正确是对于每个文件中基本指令的准确性，函数与变量的声明则需要告诉编译器头文件所在的位置。（声明在头文件，定义在C/C++文件），所有的语法正确，编译器就可以编译出中间目标文件。

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4、汇编阶段（as）

命令 gcc -c main.s -o main.o

说明：汇编器会将main.s翻译成机器指令，将这些机器指令打包成*.o格式的可重定位文件，并将结果保存在目标文件中。目标文件是由不同的段组成的，通常一个目标文件至少有两个段–数据段和代码段，main.o用文本文件打开之后是看不懂的，因为是二进制文件。

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5、链接阶段（ld）

命令 gcc main.o -o main.out

说明：链接是最后一个过程，链接器会将main.o和其他库文件、目标代码文件链接后形成可执行程序（把大量的ObjectFile合成执行文件），比如：假设main.c中调用了函数printf，链接器会将printf.o文件并入我们的main.out可执行文件中，最后将可执行文件加载到存储器中，然后由系统执行。

备注：一般每个源文件，应该都有对应于一个中间目标文件（.o或.obj文件）。

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6、补充

01 平时我们说的编译器实质上指的是编译工具链，由于习惯的原因，平时我们经常只说了编译链接，这里的编译不是第二阶段，而是包含了预处理、编译和汇编的三个过程，也就是由源程序文件生成中间代码文件的过程（有点坑，习惯的东西之前一直没理清楚）。而且，实际上，预处理用预处理器，编译用编译器，汇编用汇编器，链接用链接器，这几个工具再加上一些其他额外会用到的工具，合起来就叫做编译工具链，平时经常用到GCC就是一个编译工具链。

02 为了适应习惯吧，我以后也会叫这整个过程为编译链接。但要明白里面这些东西（其实好比CPU和SoC），要不然别人说起预处理，我第一次的反应一直不知道是在哪里。

03 编译链接中各种文件扩展名

扩展名	含义
.c文件	C语言源代码文件
.a文件	由目标文件构成的静态文件
.c文件	C++源代码文件
.h文件	程序所包含的头文件
.i文件	预处理的C源代码文件
.ii文件	预处理的C++源代码文件
.m文件	Objective-C源代码文件
.o文件	编译后的目标文件
.out文件	链接器生成的可执行文件
.s文件	汇编语言源代码文件，后期不再进行预处理操作
.S文件	汇编语言源代码文件，后期还会进行预处理操作，可以包含预处理指令

04 Windows的中间代码文件是.obj，Unix/Linux的中间代码文件是.o。

05 链接时，主要是链接函数和全局变量，可以使用这些中间目标文件来链接我们的应用程序，整个链接过程不需要理会源文件，只需关注中间目标文件，大多数情况下，由于源文件太多，编译生成的中间目标文件太多，而且在链接的时候，需要明确地指出中间目标文件名，这对编译十分不方便。所以，我们要给中间目标文件打个包，在Windows下这种包叫做“库函数”（library file），也就是.lib文件，在Unix\Linux下，是Archive File静态库文件，也就是.a文件。

06 小结：源文件生成可执行程序的过程中，源文件首先会生成中间目标文件，再由目标文件生成执行文件。在编译的时候，只检测语法、函数与变量声明是否被声明。如果函数未被声明，编译器会给出一个警告，但可以生成目标文件，在链接程序时，链接器会在所有的目标文件中找寻函数的实现，如果找不到，那就会再报链接错误码（Linker Error）。

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