从编码到运行-程序编译过程详解
前言
程序从一堆字符怎么变成一个可运行的程序呢，在这我们使用最简单的一个hello word 程序来演示程序的一个完整流程。
在这过程中找到一些有用的调试方法，帮助我们在debug时快速解决问题。
程序编译时的整体流程经过：
编码 、 预处理 、编译、 汇编、 链接
运行环境
windows 10 + cygwin
gcc 版本 7.4.0
一、 编码
按照C语言语法规则，将字符组合成一段有特定含义的文本。
main.c
#include <stdio.h>
char hello[]={"hello word"};
int main(void){ /*打印字符数组，显示字符串位置和大小*/ printf("str:%s,ptr:%p,size:%d\n",hello,hello,sizeof(hello));
return 0;}二、 预处理
预处理主要是将源文件中的预处理指令(#define, #include)展开、替换或者对条件编译选项进行选择删除。
关于预处理指令的详细说明在下一篇博客中详细说明。
在gcc中与预处理有关常用的查看指令有：
-E ：主要选项，gcc 使用该参数生成预编译文件；
-C ：进行字符串替换时保留注释
-P : 不输出#line 信息
-Dmacro : 对参与编译的所有文件使用宏定义 macro
-include file : 在参与编译的所有文件最开始引用头文件 file
在命令行中输入 gcc -E maic.c -o main.i 生成预处理后的文件：
# 1 ""
# 1 "<命令行>"
# 1 "main.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 29 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/_ansi.h" 1 3 4
... 省略若干 ...
# 41 "/usr/include/machine/_default_types.h" 3 4
typedef signed char __int8_t;
typedef unsigned char __uint8_t;
# 55 "/usr/include/machine/_default_types.h" 3 4
typedef short int __int16_t;
typedef short unsigned int __uint16_t;
# 77 "/usr/include/machine/_default_types.h" 3 4
typedef int __int32_t;
... 省略若干 ...
# 797 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 2 "main.c" 2
# 3 "main.c"
char hello[]={"hello gcc"};
int main(void)
{
printf("str:%s,ptr:%p,size:%d\n",hello,hello,sizeof(hello));
return 0;
}
在main.i中它将所有宏和头文件全部展开，该选项在调试宏有个代码十分有用。
在上面的文件中除了我们已知的宏替换外，还有很多以#开头的行，这些是头文件替换的位置信息。
其语法格式为：
#行号 文件名 属性标识
| 标识 | 含义 |
|---|---|
| 1 | 一个新文件的开始 |
| 2 | 表示从一个被包含的文件中返回 |
| 3 | 表示后面的内容来自系统文件 |
| 4 | 表示后面的内容应当被当作一个隐式的extern "C"块 |
# 1 "/usr/include/_ansi.h" 1 3 4上面一行表示下面的内容是来自
/usr/include/_ansi.h文件，并且它是一个系统文件开头。
在预处理时添加-P参数，可不显示#line内容。
在keil 中生成预处理文件选项如下：
编译
在对源文件进行预处理完成后，要对预处理文件进行编译，将源文件进行词法分析，转换为汇编语言。
在命令行中输入命令gcc main.i -S -o main.S 生成汇编文件
.text
.globl hello
.data
.align 8
hello:
.ascii "hello gcc\0"
.def __main; .scl 2; .type 32; .endef
.section .rdata,"dr"
.LC0:
.ascii "str:%s,ptr:%p,size:%d\12\0"
.text
.globl main
.def main; .scl 2; .type 32; .endef
.seh_proc main
main:
pushq %rbp
.seh_pushreg %rbp
movq %rsp, %rbp
.seh_setframe %rbp, 0
subq ParseError: KaTeX parse error: Expected group after '_' at position 54: …prologue
call _̲_main
movl10, %r9d
leaq hello(%rip), %r8
leaq hello(%rip), %rdx
leaq .LC0(%rip), %rcx
call printf
movl 0,addq0, %eax
addq0,addq32, %rsp
popq %rbp
ret
.seh_endproc
.ident "GCC: (GNU) 7.4.0"
.def printf; .scl 2; .type 32; .endef
使用编译命令将源文件编译为汇编文件后，可比较汇编的结果，针对某些代码进行优化
汇编
使用-c参数可在命令行中只进行汇编成.o文件而不生成可执行文件
在命令行中输入命令 gcc main.S -c -o main.o生成。
在目标文件(*.o)文件中，包含了该源文件的函数和数据信息。
可通过objdump工具查看其中各个数据段的说明和符号表，或者使用IDA等反编译软件生成汇编或者C文件。下面是使用IDA 对main.o反汇编后的结果，其代码结构与C原文件基本一致。
链接
使用GCC中不使用其他参数，只是用-o默认进行链接操作。在链接过程中会将所有目标文件、静态库、动态库一起按照指定规则(链接脚本)，进行链接生成可执行文件。
在命令行中输入gcc main.o -Wl,-Map=main.map -o main.exe 生成可执行文件，并导出map文件。
由于在该程序中只使用了系统库，而没有使用外部库，所以没有指定动态/静态库名和搜索路径。
-l：指定待链接的库名。
-L：指定链接库的查找路径。
-Wl,-Map=file.map：生成map文件，其中包含了符号表和地址映射等信息。
运行
在命令行中输入./main.exe运行程序。输出结果如下：
str:hello gcc,ptr:0x100402010,size:10
打开main.map，可看到hello字符串的变量地址和变量大小。与打印的值一致。
.data 0x0000000100402000 0x10 /usr/lib/gcc/x86_64-pc-cygwin/7.4.0/crtbegin.o
0x0000000100402000 __dso_handle
.data 0x0000000100402010 0x10 main.o
0x0000000100402010 hello
.data 0x0000000100402020 0x0 /usr/lib/gcc/x86_64-pc-cygwin/7.4.0/../../../../lib/libcygwin.a(cygwin_crt0.o)
.data 0x0000000100402020 0x0 /usr/lib/gcc/x86_64-pc-cygwin/7.4.0/../../../../lib/libcygwin.a(premain0.o)
以上就是关于一个程序编译运行的全过程，第一次写公众号，欢迎大家指点。
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