前言

C语言程序从源代码到二进制行程序都经历了那些过程？本文以Linux下C语言的编译过程为例，讲解C语言程序的编译过程。

编写hello world C程序：

// hello.c
#include <stdio.h>
int main(){
    printf("hello world!\n");
}

编译过程只需：

$ gcc hello.c # 编译
$ ./a.out # 执行
hello world!

这个过程如此熟悉，以至于大家觉得编译事件很简单的事。事实真的如此吗？我们来细看一下C语言的编译过程到底是怎样的。

上述gcc命令其实依次执行了四步操作：

预处理(Preprocessing)

编译(Compilation)

汇编(Assemble)

链接(Linking)

示例

为了下面步骤讲解的方便，我们需要一个稍微复杂一点的例子。假设我们自己定义了一个头文件mymath.h，实现一些自己的数学函数，并把具体实现放在mymath.c当中。然后写一个test.c程序使用这些函数。程序目录结构如下：

├── test.c 
└── inc     
      ├── mymath.h     
      └── mymath.c

程序代码如下：

// test.c
#include <stdio.h>
#include "mymath.h"// 自定义头文件
int main(){
    int a = 2;
    int b = 3;
    int sum = add(a, b); 
    printf("a=%d, b=%d, a+b=%d\n", a, b, sum);
}

头文件定义：

// mymath.h
#ifndef MYMATH_H
#define MYMATH_H
int add(int a, int b);
int sum(int a, int b);
#endif

头文件实现：

// mymath.c
int add(int a, int b){
    return a+b;
}
int sub(int a, int b){
    return a-b;
}

1.预处理(Preprocessing)

预处理用于将所有的#include头文件以及宏定义替换成其真正的内容，预处理之后得到的仍然是文本文件，但文件体积会大很多。gcc的预处理是预处理器cpp来完成的，你可以通过如下命令对test.c进行预处理：

gcc -E -I./inc test.c -o test.i

或者直接调用cpp命令

$ cpp test.c -I./inc -o test.i

上述命令中-E是让编译器在预处理之后就退出，不进行后续编译过程；-I指定头文件目录，这里指定的是我们自定义的头文件目录；-o指定输出文件名。

经过预处理之后代码体积会大很多：

预处理之后的程序还是文本，可以用文本编辑器打开

2.编译(Compilation)

这里的编译不是指程序从源文件到二进制程序的全部过程，而是指将经过预处理之后的程序转换成特定汇编代码(assembly code)的过程。编译的指定如下：

$ gcc -S -I./inc test.c -o test.s

上述命令中-S让编译器在编译之后停止，不进行后续过程。编译过程完成后，将生成程序的汇编代码test.s，这也是文本文件，内容如下：

// test.c汇编之后的结果test.s
    .file   "test.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "a=%d, b=%d, a+b=%d\n"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    pushl   %ebp
    .cfi_def_cfa_offset 8
    .cfi_offset 5, -8
    movl    %esp, %ebp
    .cfi_def_cfa_register 5
    andl    $-16, %esp
    subl    $32, %esp
    movl    $2, 20(%esp)
    movl    $3, 24(%esp)
    movl    24(%esp), %eax
    movl    %eax, 4(%esp)
    movl    20(%esp), %eax
    movl    %eax, (%esp)
    call    add 
    movl    %eax, 28(%esp)
    movl    28(%esp), %eax
    movl    %eax, 12(%esp)
    movl    24(%esp), %eax
    movl    %eax, 8(%esp)
    movl    20(%esp), %eax
    movl    %eax, 4(%esp)
    movl    $.LC0, (%esp)
    call    printf
    leave
    .cfi_restore 5
    .cfi_def_cfa 4, 4
    ret 
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 4.8.2-19ubuntu1) 4.8.2"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

3.汇编(Assemble)

汇编过程将上一步的汇编代码转换成机器码(machine code)，这一步产生的文件叫做目标文件，是二进制格式。gcc汇编过程通过as命令完成：

$ as test.s -o test.o

等价于：

gcc -c test.s -o test.o

这一步会为每一个源文件产生一个目标文件。因此mymath.c也需要产生一个mymath.o文件

4.链接(Linking)

链接过程将多个目标文以及所需的库文件(.so等)链接成最终的可执行文件(executable file)。

命令大致如下：

$ ld -o test.out test.o inc/mymath.o ...libraries...

上面可以看到最终连接依赖了两个文件，mymath.o test.0还有其他一些依赖库

链接的详细过程如下：

合并段

在elf文件中字节对齐是以4字节对齐的，在可执行程序中是以页的方式对齐的（一个页的大小为4k），因此如果我们在链接时将各个.o文件各个段单独的加载到可执行文件中，将会非常浪费空间：

因此我们需要合并段，调整段偏移，把每个.o文件的.text段合并在一起.data段合并在一起，这样在生成的可执行文件中，各个段都只有一个，如下图，由于在链接时只需要加载代码段(.text段)和数据段（.data段和.bss段）。因此合并段之后，在系统给我们分配内存时，只需要分配两个页面大小就可以，分别存放代码和数据

调整段偏移

汇总所有符号

每个obj文件在编译时都会生成自己的符号表，我们要把这些符号都合并起来进行符号解析

完成符号的重定位

在进行合并段，调整段偏移时，输入文件的各个段在连接后的虚拟地址就已经确定了，这一步完成后，连接器开始计算各个符号的虚拟地址，因为各个符号在段内的相对位置是固定的，所以段内各个符号的地址也已经是确定的了，只不过连接器需要给每个符号加上一个偏移量，使他们能够调整到正确的虚拟地址，这就是符号的重定位过程

在 elf文件中，有一个叫重定位表的结构专门用来保存这些与从定位有关的信息，重定位表在elf文件中往往是一个或多个段

5.数据和指令

上面是代码编译链接的过程，得到了可执行的文件后，程序在内存中是如何运行的，数据和指令又分别是什么

所有的全局变量和静态变量都是数据，除此之外都是指令（包括局部变量）

int data1 = 10;
int data2 = 0;
int data3;

static int data4 = 10;
static int data5 = 0;
static int data6;

int main()
{

}

虚拟地址空间

在每个进程运行的时候，我们的操作系统都会给他分配一个固定大小的虚拟地址空间（x86，32bit，Linux内核下默认大小为4G），那这段内存分配结构如下：

整个4G的空间有1G是供操作系统使用的内核空间，用户无法访问，还有3G是我们的用户空间，以供该虚拟地址空间上进程的运行，在这3G的用户空间中又被分成了很多段，从0地址开始的128M大小是系统的预留空间，用户也是无法访问的。

接下来是.text段，该段空间中存放的是代码，然后是.data段和.bss段，这两段里面存放的都是数据，但又有不同：data段中存放的数据是已经初始化并且初始化值不为0的数据，而.bss段中存放的是未经初始化或者初始化为0的数据(注：bssbetter save space(更好的节省空间))

静态链接

动态链接

我们调用动态链接库有两种方法：一种是编译的时候，指明所依赖的动态链接库，这样loader可以在程序启动的时候，将所有的动态链接映射到内存中；一种是在运行过程中，通过dlopen和dlfree的方式加载动态链接库，动态将动态链接库加载到内存中。

从编程角度来讲，第一种是最方便的，效率上影响也不大。

在内存使用上有些差别：

第一种方式，一个库的代码，只要运行过一次，便会占用物理内存，之后即使再也不使用，也会占用物理内存，直到进程的终止。

第二中方式，库代码占用的内存，可以通过dlfree的方式，释放掉，返回给物理内存。

对于那些寿命很长，但又会偶尔调用各种库的进程有关。如果是这类进程，建议采用第二种方式调用动态链接库。

延迟绑定GOT PLT

程序运行过程中，很多函数在程序执行完也不会用到，ELF采用了一种延迟绑定的方法，就是函数第一次被用到才会进行绑定，如果没有用到就不会进行绑定，主要通过GOT(Global Offset Table)

第一次调用：GOT表是空的，会动态解析符号的绝对地址执行，同时将地址记录在GOT表中

第二次调用：GOT表中已经记录了地址，直接跳转执行

GOT和PLT在内存中位置如下：