Linux 程序編譯過程的來龍去脈

2021-02-12    分類： 網(wǎng)站建設(shè)

大家肯定都知道計算機(jī)程序設(shè)計語言通常分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三類。高級語言需要通過翻譯成機(jī)器語言才能執(zhí)行，而翻譯的方式分為兩種，一種是編譯型，另一種是解釋型，因此我們基本上將高級語言分為兩大類，一種是編譯型語言，例如C，C++，Java，另一種是解釋型語言，例如Python、Ruby、MATLAB 、JavaScript。
本文將介紹如何將高層的C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程，包括四個步驟：
預(yù)處理（Preprocessing）
編譯（Compilation）
匯編（Assembly）
鏈接（Linking）
Linux 程序編譯過程的來龍去脈
GCC 工具鏈介紹
通常所說的GCC是GUN Compiler Collection的簡稱，是Linux系統(tǒng)上常用的編譯工具。GCC工具鏈軟件包括GCC、Binutils、C運(yùn)行庫等。
GCC
GCC（GNU C Compiler）是編譯工具。本文所要介紹的將C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程即由編譯器完成。
Binutils
一組二進(jìn)制程序處理工具，包括：addr2line、ar、objcopy、objdump、as、ld、ldd、readelf、size等。這一組工具是開發(fā)和調(diào)試不可缺少的工具，分別簡介如下：
addr2line：用來將程序地址轉(zhuǎn)換成其所對應(yīng)的程序源文件及所對應(yīng)的代碼行，也可以得到所對應(yīng)的函數(shù)。該工具將幫助調(diào)試器在調(diào)試的過程中定位對應(yīng)的源代碼位置。
as：主要用于匯編，有關(guān)匯編的詳細(xì)介紹請參見后文。
ld：主要用于鏈接，有關(guān)鏈接的詳細(xì)介紹請參見后文。
ar：主要用于創(chuàng)建靜態(tài)庫。為了便于初學(xué)者理解，在此介紹動態(tài)庫與靜態(tài)庫的概念：
如果要將多個.o目標(biāo)文件生成一個庫文件，則存在兩種類型的庫，一種是靜態(tài)庫，另一種是動態(tài)庫。
在windows中靜態(tài)庫是以 .lib 為后綴的文件，共享庫是以 .dll 為后綴的文件。在linux中靜態(tài)庫是以.a為后綴的文件，共享庫是以.so為后綴的文件。
靜態(tài)庫和動態(tài)庫的不同點在于代碼被載入的時刻不同。靜態(tài)庫的代碼在編譯過程中已經(jīng)被載入可執(zhí)行程序，因此體積較大。共享庫的代碼是在可執(zhí)行程序運(yùn)行時才載入內(nèi)存的，在編譯過程中僅簡單的引用，因此代碼體積較小。在Linux系統(tǒng)中，可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
如果一個系統(tǒng)中存在多個需要同時運(yùn)行的程序且這些程序之間存在共享庫，那么采用動態(tài)庫的形式將更節(jié)省內(nèi)存。
ldd：可以用于查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
objcopy：將一種對象文件翻譯成另一種格式，譬如將.bin轉(zhuǎn)換成.elf、或者將.elf轉(zhuǎn)換成.bin等。
objdump：主要的作用是反匯編。有關(guān)反匯編的詳細(xì)介紹，請參見后文。
readelf：顯示有關(guān)ELF文件的信息，請參見后文了解更多信息。
size：列出可執(zhí)行文件每個部分的尺寸和總尺寸，代碼段、數(shù)據(jù)段、總大小等，請參見后文了解使用size的具體使用實例。
C運(yùn)行庫
C語言標(biāo)準(zhǔn)主要由兩部分組成：一部分描述C的語法，另一部分描述C標(biāo)準(zhǔn)庫。C標(biāo)準(zhǔn)庫定義了一組標(biāo)準(zhǔn)頭文件，每個頭文件中包含一些相關(guān)的函數(shù)、變量、類型聲明和宏定義，譬如常見的printf函數(shù)便是一個C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，其原型定義在stdio頭文件中。
C語言標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)原型，并沒有提供實現(xiàn)。因此，C語言編譯器通常需要一個C運(yùn)行時庫（C Run Time Libray，CRT）的支持。C運(yùn)行時庫又常簡稱為C運(yùn)行庫。與C語言類似，C++也定義了自己的標(biāo)準(zhǔn)，同時提供相關(guān)支持庫，稱為C++運(yùn)行時庫。
準(zhǔn)備工作
由于GCC工具鏈主要是在Linux環(huán)境中進(jìn)行使用，因此本文也將以Linux系統(tǒng)作為工作環(huán)境。為了能夠演示編譯的整個過程，本節(jié)先準(zhǔn)備一個C語言編寫的簡單Hello程序作為示例，其源代碼如下所示：
編譯過程
1.預(yù)處理
預(yù)處理的過程主要包括以下過程：
將所有的#define刪除，并且展開所有的宏定義，并且處理所有的條件預(yù)編譯指令，比如#if #ifdef #elif #else #endif等。
處理#include預(yù)編譯指令，將被包含的文件插入到該預(yù)編譯指令的位置。
刪除所有注釋“//”和“/* */”。
添加行號和文件標(biāo)識，以便編譯時產(chǎn)生調(diào)試用的行號及編譯錯誤警告行號。
保留所有的#pragma編譯器指令，后續(xù)編譯過程需要使用它們。使用gcc進(jìn)行預(yù)處理的命令如下：
hello.i文件可以作為普通文本文件打開進(jìn)行查看，其代碼片段如下所示：
2.編譯
編譯過程就是對預(yù)處理完的文件進(jìn)行一系列的詞法分析，語法分析，語義分析及優(yōu)化后生成相應(yīng)的匯編代碼。
使用gcc進(jìn)行編譯的命令如下：
上述命令生成的匯編程序hello.s的代碼片段如下所示，其全部為匯編代碼。
3.匯編
匯編過程調(diào)用對匯編代碼進(jìn)行處理，生成處理器能識別的指令，保存在后綴為.o的目標(biāo)文件中。由于每一個匯編語句幾乎都對應(yīng)一條處理器指令，因此，匯編相對于編譯過程比較簡單，通過調(diào)用Binutils中的匯編器as根據(jù)匯編指令和處理器指令的對照表一一翻譯即可。
當(dāng)程序由多個源代碼文件構(gòu)成時，每個文件都要先完成匯編工作，生成.o目標(biāo)文件后，才能進(jìn)入下一步的鏈接工作。注意：目標(biāo)文件已經(jīng)是最終程序的某一部分了，但是在鏈接之前還不能執(zhí)行。
使用gcc進(jìn)行匯編的命令如下：
注意：hello.o目標(biāo)文件為ELF（Executable and Linkable Format）格式的可重定向文件。
4.鏈接
鏈接也分為靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接，其要點如下：
靜態(tài)鏈接是指在編譯階段直接把靜態(tài)庫加入到可執(zhí)行文件中去，這樣可執(zhí)行文件會比較大。鏈接器將函數(shù)的代碼從其所在地（不同的目標(biāo)文件或靜態(tài)鏈接庫中）拷貝到最終的可執(zhí)行程序中。為創(chuàng)建可執(zhí)行文件，鏈接器必須要完成的主要任務(wù)是：符號解析（把目標(biāo)文件中符號的定義和引用聯(lián)系起來）和重定位（把符號定義和內(nèi)存地址對應(yīng)起來然后修改所有對符號的引用）。
動態(tài)鏈接則是指鏈接階段僅僅只加入一些描述信息，而程序執(zhí)行時再從系統(tǒng)中把相應(yīng)動態(tài)庫加載到內(nèi)存中去。
在Linux系統(tǒng)中，gcc編譯鏈接時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為：首先從gcc命令的參數(shù)-L指定的路徑尋找；再從環(huán)境變量LIBRARY_PATH指定的路徑尋址；再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib、/usr/local/lib尋找。
在Linux系統(tǒng)中，執(zhí)行二進(jìn)制文件時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為：首先搜索編譯目標(biāo)代碼時指定的動態(tài)庫搜索路徑；再從環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑尋址；再從配置文件/etc/ld.so.conf中指定的動態(tài)庫搜索路徑；再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib尋找。
在Linux系統(tǒng)中，可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
由于鏈接動態(tài)庫和靜態(tài)庫的路徑可能有重合，所以如果在路徑中有同名的靜態(tài)庫文件和動態(tài)庫文件，比如libtest.a和libtest.so，gcc鏈接時默認(rèn)優(yōu)先選擇動態(tài)庫，會鏈接libtest.so，如果要讓gcc選擇鏈接libtest.a則可以指定gcc選項-static，該選項會強(qiáng)制使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接。以Hello World為例：
如果使用命令“gcc hello.c -o hello”則會使用動態(tài)庫進(jìn)行鏈接，生成的ELF可執(zhí)行文件的大?。ㄊ褂肂inutils的size命令查看）和鏈接的動態(tài)庫（使用Binutils的ldd命令查看）如下所示：
如果使用命令“gcc -static hello.c -o hello”則會使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接，生成的ELF可執(zhí)行文件的大?。ㄊ褂肂inutils的size命令查看）和鏈接的動態(tài)庫（使用Binutils的ldd命令查看）如下所示：
鏈接器鏈接后生成的最終文件為ELF格式可執(zhí)行文件，一個ELF可執(zhí)行文件通常被鏈接為不同的段，常見的段譬如.text、.data、.rodata、.bss等段。
分析ELF文件
1.ELF文件的段
ELF文件格式如下圖所示，位于ELF Header和Section Header Table之間的都是段（Section）。一個典型的ELF文件包含下面幾個段：
.text：已編譯程序的指令代碼段。
.rodata：ro代表read only，即只讀數(shù)據(jù)（譬如常數(shù)const）。
.data：已初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.bss：未初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.debug：調(diào)試符號表，調(diào)試器用此段的信息幫助調(diào)試。
Linux 程序編譯過程的來龍去脈
可以使用readelf -S查看其各個section的信息如下：
2.反匯編ELF
由于ELF文件無法被當(dāng)做普通文本文件打開，如果希望直接查看一個ELF文件包含的指令和數(shù)據(jù)，需要使用反匯編的方法。

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