標(biāo)題:
教你如何從C/C++編程生成執(zhí)行文件
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作者:
edu118gct
時間:
2014-12-10 10:39
標(biāo)題:
教你如何從C/C++編程生成執(zhí)行文件
篇一
C/C++程序編譯步驟 如何生成可執(zhí)行文件
電子計算機(jī)所使用的是由“0”和“1”組成的二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制是計算機(jī)的語言的基礎(chǔ)。計算機(jī)發(fā)明之
初，人們只能降貴紆尊，用計算機(jī)的語言去命令計算機(jī)干這干那，一句話，就是寫出一串串由“0”和
“1”組成的指令序列交由計算機(jī)執(zhí)行，這種語言，就是機(jī)器語言。想象一下老前輩們在打孔機(jī)面前數(shù)
著一個一個孔的情景，噓，小聲點(diǎn)，你的驚嚇可能使他們錯過了一個孔，結(jié)果可能是導(dǎo)致一艘飛船飛離
軌道阿。
為了減輕使用機(jī)器語言編程的痛苦，人們進(jìn)行了一種有益的改進(jìn)：用一些簡潔的英文字母、符號串來替
代一個特定的指令的二進(jìn)制串，比如，用“A D D”代表加法，“M O V”代表數(shù)據(jù)傳遞等等，這樣一來
，人們很容易讀懂并理解程序在干什么，糾錯及維護(hù)都變得方便了，這種程序設(shè)計語言就稱為匯編語言
，即第二代計算機(jī)語言。然而計算機(jī)是不認(rèn)識這些符號的，這就需要一個專門的程序，專門負(fù)責(zé)將這些
符號翻譯成二進(jìn)制數(shù)的機(jī)器語言，這種翻譯程序被稱為匯編程序。因為匯編指令和機(jī)器語言之間有著一
一對應(yīng)的關(guān)系，這可比英譯漢或漢譯英簡單多了。
高級語言是偏向人，按照人的思維方式設(shè)計的，機(jī)器對這些可是莫名奇妙，不知所謂。魚與熊掌的故事
在計算機(jī)語言中發(fā)生了。于是必須要有一個橋梁來銜接兩者，造橋可不是一件簡單的事情。當(dāng)你越想方
便，那橋就得越復(fù)雜。那高級語言是如何變成機(jī)器語言的呢，這個過程讓我慢慢道來。
編譯：將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器可認(rèn)識代碼的過程。編譯程序讀取源程序（字符流），對之進(jìn)行詞法和語法
的分析，將高級語言指令轉(zhuǎn)換為功能等效的匯編代碼，再由匯編程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言，并且按照操作系
統(tǒng)對可執(zhí)行文件格式的要求鏈接生成可執(zhí)行程序。技術(shù)顧問郭老師qq754634522
C源程序－>編譯預(yù)處理－>編譯－>優(yōu)化程序－>匯編程序－>鏈接程序－>可執(zhí)行文件
1.編譯預(yù)處理 讀取c源程序，對其中的偽指令（以#開頭的指令）和特殊符號進(jìn)行處理。
偽指令主要包括以下四個方面
（1）宏定義指令，如# define Name TokenString,#undef等。對于前一個偽指令，預(yù)編譯所要作得的
是將程序中的所有Name用TokenString替換，但作為字符串常量的Name則不被替換。對于后者，則將取
消對某個宏的定義，使以后該串的出現(xiàn)不再被替換。
（2）條件編譯指令，如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。這些偽指令的引入使得程序員可
以通過定義不同的宏來決定編譯程序?qū)δ男┐a進(jìn)行處理。預(yù)編譯程序?qū)⒏鶕?jù)有關(guān)的文件，將那些不必
要的代碼過濾掉。
（3）頭文件包含指令，如#include "FileName"或者#include <FileName>等。在頭文件中一般用偽指
令#define定義了大量的宏（最常見的是字符常量），同時包含有各種外部符號的聲明。采用頭文件的
目的主要是為了使某些定義可以供多個不同的C源程序使用。因為在需要用到這些定義的C源程序中，只
需加上一條#include語句即可，而不必再在此文件中將這些定義重復(fù)一遍。預(yù)編譯程序?qū)杨^文件中的
定義統(tǒng)統(tǒng)都加入到它所產(chǎn)生的輸出文件中，以供編譯程序?qū)χM(jìn)行處理。
包含到c源程序中的頭文件可以是系統(tǒng)提供的，這些頭文件一般被放在/usr/include目錄下。在程序中
#include它們要使用尖括號（<>）。另外開發(fā)人員也可以定義自己的頭文件，這些文件一般與c源程序
放在同一目錄下，此時在#include中要用雙引號（""）。
（4）特殊符號，預(yù)編譯程序可以識別一些特殊的符號。例如在源程序中出現(xiàn)的LINE標(biāo)識將被解釋為當(dāng)
前行號（十進(jìn)制數(shù)），F(xiàn)ILE則被解釋為當(dāng)前被編譯的C源程序的名稱。預(yù)編譯程序?qū)τ谠谠闯绦蛑谐霈F(xiàn)
的這些串將用合適的值進(jìn)行替換。
預(yù)編譯程序所完成的基本上是對源程序的“替代”工作。經(jīng)過此種替代，生成一個沒有宏定義、沒有條
件編譯指令、沒有特殊符號的輸出文件。這個文件的含義同沒有經(jīng)過預(yù)處理的源文件是相同的，但內(nèi)容
有所不同。下一步，此輸出文件將作為編譯程序的輸出而被翻譯成為機(jī)器指令。
2.編譯階段
經(jīng)過預(yù)編譯得到的輸出文件中，將只有常量。如數(shù)字、字符串、變量的定義，以及C語言的關(guān)鍵字，如
main,if,else,for,while,{,},+,-,*,\，等等。預(yù)編譯程序所要作得工作就是通過詞法分析和語法分析
，在確認(rèn)所有的指令都符合語法規(guī)則之后，將其翻譯成等價的中間代碼表示或匯編代碼。
3.優(yōu)化階段
優(yōu)化處理是編譯系統(tǒng)中一項比較艱深的技術(shù)。它涉及到的問題不僅同編譯技術(shù)本身有關(guān)，而且同機(jī)器的
硬件環(huán)境也有很大的關(guān)系。優(yōu)化一部分是對中間代碼的優(yōu)化。這種優(yōu)化不依賴于具體的計算機(jī)。另一種
優(yōu)化則主要針對目標(biāo)代碼的生成而進(jìn)行的。上圖中，我們將優(yōu)化階段放在編譯程序的后面，這是一種比
較籠統(tǒng)的表示。
對于前一種優(yōu)化，主要的工作是刪除公共表達(dá)式、循環(huán)優(yōu)化（代碼外提、強(qiáng)度削弱、變換循環(huán)控制條件
、已知量的合并等）、復(fù)寫傳播，以及無用賦值的刪除，等等。
后一種類型的優(yōu)化同機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，最主要的是考慮是如何充分利用機(jī)器的各個硬件寄存器
存放的有關(guān)變量的值，以減少對于內(nèi)存的訪問次數(shù)。另外，如何根據(jù)機(jī)器硬件執(zhí)行指令的特點(diǎn)（如流水
線、RISC、CISC、VLIW等）而對指令進(jìn)行一些調(diào)整使目標(biāo)代碼比較短，執(zhí)行的效率比較高，也是一個重
要的研究課題。
經(jīng)過優(yōu)化得到的匯編代碼必須經(jīng)過匯編程序的匯編轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)器指令，方可能被機(jī)器執(zhí)行。
4.匯編過程
匯編過程實際上指把匯編語言代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器指令的過程。對于被翻譯系統(tǒng)處理的每一個C語言源
程序，都將最終經(jīng)過這一處理而得到相應(yīng)的目標(biāo)文件。目標(biāo)文件中所存放的也就是與源程序等效的目標(biāo)
的機(jī)器語言代碼。
目標(biāo)文件由段組成。通常一個目標(biāo)文件中至少有兩個段：
代碼段 該段中所包含的主要是程序的指令。該段一般是可讀和可執(zhí)行的，但一般卻不可寫。
數(shù)據(jù)段 主要存放程序中要用到的各種全局變量或靜態(tài)的數(shù)據(jù)。一般數(shù)據(jù)段都是可讀，可寫，可執(zhí)行的
。
UNIX環(huán)境下主要有三種類型的目標(biāo)文件：
（1）可重定位文件 其中包含有適合于其它目標(biāo)文件鏈接來創(chuàng)建一個可執(zhí)行的或者共享的目標(biāo)文件的代
碼和數(shù)據(jù)。
（2）共享的目標(biāo)文件 這種文件存放了適合于在兩種上下文里鏈接的代碼和數(shù)據(jù)。第一種事鏈接程序可
把它與其它可重定位文件及共享的目標(biāo)文件一起處理來創(chuàng)建另一個目標(biāo)文件；第二種是動態(tài)鏈接程序?qū)?br />
它與另一個可執(zhí)行文件及其它的共享目標(biāo)文件結(jié)合到一起，創(chuàng)建一個進(jìn)程映象。
（3）可執(zhí)行文件 它包含了一個可以被操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個進(jìn)程來執(zhí)行之的文件。
匯編程序生成的實際上是第一種類型的目標(biāo)文件。對于后兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個就
是鏈接程序的工作了。
5.鏈接程序
由匯編程序生成的目標(biāo)文件并不能立即就被執(zhí)行，其中可能還有許多沒有解決的問題。例如，某個源文
件中的函數(shù)可能引用了另一個源文件中定義的某個符號（如變量或者函數(shù)調(diào)用等）；在程序中可能調(diào)用
了某個庫文件中的函數(shù)，等等。所有的這些問題，都需要經(jīng)鏈接程序的處理方能得以解決。
鏈接程序的主要工作就是將有關(guān)的目標(biāo)文件彼此相連接，也即將在一個文件中引用的符號同該符號在另
外一個文件中的定義連接起來，使得所有的這些目標(biāo)文件成為一個能夠被操作系統(tǒng)裝入執(zhí)行的統(tǒng)一整體
。
根據(jù)開發(fā)人員指定的同庫函數(shù)的鏈接方式的不同，鏈接處理可分為兩種：
（1）靜態(tài)鏈接 在這種鏈接方式下，函數(shù)的代碼將從其所在地靜態(tài)鏈接庫中被拷貝到最終的可執(zhí)行程序
中。這樣該程序在被執(zhí)行時這些代碼將被裝入到該進(jìn)程的虛擬地址空間中。靜態(tài)鏈接庫實際上是一個目
標(biāo)文件的集合，其中的每個文件含有庫中的一個或者一組相關(guān)函數(shù)的代碼。
（2）動態(tài)鏈接 在此種方式下，函數(shù)的代碼被放到稱作是動態(tài)鏈接庫或共享對象的某個目標(biāo)文件中。鏈
接程序此時所作的只是在最終的可執(zhí)行程序中記錄下共享對象的名字以及其它少量的登記信息。在此可
執(zhí)行文件被執(zhí)行時，動態(tài)鏈接庫的全部內(nèi)容將被映射到運(yùn)行時相應(yīng)進(jìn)程的虛地址空間。動態(tài)鏈接程序?qū)?br />
根據(jù)可執(zhí)行程序中記錄的信息找到相應(yīng)的函數(shù)代碼。
對于可執(zhí)行文件中的函數(shù)調(diào)用，可分別采用動態(tài)鏈接或靜態(tài)鏈接的方法。使用動態(tài)鏈接能夠使最終的可
執(zhí)行文件比較短小，并且當(dāng)共享對象被多個進(jìn)程使用時能節(jié)約一些內(nèi)存，因為在內(nèi)存中只需要保存一份
此共享對象的代碼。但并不是使用動態(tài)鏈接就一定比使用靜態(tài)鏈接要優(yōu)越。在某些情況下動態(tài)鏈接可能
帶來一些性能上損害。本文轉(zhuǎn)載
經(jīng)過上述五個過程，C源程序就最終被轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件了
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