gcc編譯背後(第一部分:預處理和編譯)

平時在Linux下寫代碼，直接用"gcc -o out in.c"就把代碼編譯好了，但是這後面到底做了什麼事情呢？如果學習過編譯原理則不難了解，一般進階語言程式編譯的過程莫過于：預處理、編譯、彙編、鍊 接。gcc在背景實際上也經曆了這幾個過程，我們可以通過-v參數檢視它的編譯細節，如果想看某個具體的編譯過程，則可以分别使用-E,-S,-c和- O，對應的背景工具則分别為cpp,cc1,as,ld。下面我們将逐漸分析這幾個過程以及相關的内容，諸如文法檢查、代碼調試、彙編語言等。

1、預處理

    開篇簡述：預處理是C語言程式從源代碼變成可執行程式的第一步，主要是C語言編譯器對各種預處理指令進行處理，包括頭檔案的包含、宏定義的擴充、條件編譯的選擇等。

    以前沒怎麼“深入”預處理，腦子對這些東西總是很模糊，隻記得在編譯的基本過程（詞法分析、文法分析）之前還需要對源代碼中的宏定義、檔案包含、條件編譯 等指令進行處理。這三類的指令很常見，主要有#define, #include和#ifdef ... #endif，要特别地注意它們的用法。（更多預處理的指令請查閱相關資料）

    #define除了可以獨立使用以便靈活設定一些參數外，還常常和#ifdef ... #endif結合使用，以便靈活地控制代碼塊的編譯與否，也可以用來避免同一個頭檔案的多次包含。關于#include貌似比較簡單，通過man找到某個 函數的頭檔案，copy進去，加上<>就okay。這裡雖然隻關心一些技巧，不過預處理還是蘊含着很多潛在的陷阱（可參考<C Traps & Pitfalls>），我們也需要注意的。下面僅介紹和預處理相關的幾個簡單内容。

• 列印出預處理之後的結果：gcc -E hello.c

      這樣我們就可以看到源代碼中的各種預處理指令是如何被解釋的，進而友善了解和查錯。

      實際上gcc在這裡是調用了cpp的(雖然我們通過gcc的-v僅看到cc1)，cpp即The C Preprocessor，主要用來預處理宏定義、檔案包含、條件編譯等。下面介紹它的一個比較重要的選項-D。

• 在指令行定義宏：gcc -Dmacro hello.c

      這個等同于在檔案的開頭定義宏，即#define maco，但是在指令行定義更靈活。例如，在源代碼中有這些語句。

  #ifdef DEBUG

  printf("this code is for debugging\n");

  #endif

      如果編譯時加上-DDEBUG選項，那麼編譯器就會把printf所在的行編譯進目标代碼，進而友善地跟蹤該位置的某些程式狀态。這樣-DDEBUG就可以當作一個調試開關，編譯時加上它就可以用來列印調試資訊，釋出時則可以通過去掉該編譯選項把調試資訊去掉。

  本節參考資料：

  [1] C語言教程第九章:預處理

  http://www.bc-cn.net/Article/kfyy/cyy/jc/200409/9.html

  [2] 更多

  http://www.hemee.com/kfyy/c/6626.html

  http://www.91linux.com/html/article/program/cpp/20071203/8745.html

  http://www.janker.org/bbs/programmer/2006-10-13/327.html

  2、編譯（翻譯）

      開篇簡要：編譯之前，C語言編譯器會進行詞法分析、文法分析(-fsyntax-only)，接着會把源代碼翻譯成中間語言，即彙編語言。如果想看到這個 中間結果，可以用-S選項。需要提到的是，諸如shell等解釋語言也會經曆一個詞法分析和文法分析的階段，不過之後并不會進行“翻譯”，而是“解釋”， 邊解釋邊執行。

      把源代碼翻譯成彙編語言，實際上是編譯的整個過程中的第一個階段，之後的階段和彙編語言的開發過程沒有什麼差別。這個階段涉及到對源代碼的詞法分析、文法檢查（通過-std指定遵循哪個标準），并根據優化(-O)要求進行翻譯成彙編語言的動作。

      如果僅僅希望進行文法檢查，可以用-fsyntax-only選項；而為了使代碼有比較好的移植性，避免使用gcc的一些特性，可以結合-std和- pedantic（或者-pedantic-erros)選項讓源代碼遵循某個C語言标準的文法。這裡示範一個簡單的例子。

  Quote:

  $ cat hello.c #include <stdio.h> int main() {         printf("hello, world\n")         return 0; } $ gcc -fsyntax-only hello.c hello.c: In function ‘main’: hello.c:5: error: expected ‘;’ before ‘return’ $ vim hello.c $ cat hello.c  #include <stdio.h> int main() {         printf("hello, world\n");         int i;         return 0; }  $ gcc -std=c89 -pedantic-errors hello.c    #預設情況下，gcc是允許在程式中間聲明變量的，但是turboc就不支援 hello.c: In function ‘main’: hello.c:5: error: ISO C90 forbids mixed declarations and code

      文法錯誤是程式開發過程中難以避免的錯誤（人的大腦在很多條件下都容易開小差），不過編譯器往往能夠通過文法檢查快速發現這些錯誤，并準确地告訴你文法錯 誤的大概位置。是以，作為開發人員，要做的事情不是“恐慌”（不知所措），而是認真閱讀編譯器的提示，根據平時積累的經驗（最好在大腦中存一份常見文法錯 誤索引，很多資料都提供了常見文法錯誤清單，如<C Traps&Pitfalls>和最後面的參考資料[12]也列出了很多常見問題）和編輯器提供的文法檢查功能（文法加亮、括号比對提示 等）快速定位文法出錯的位置并進行修改。

      文法檢查之後就是翻譯動作，gcc提供了一個優化選項-O，以便根據不同的運作平台和使用者要求産生經過優化的彙編代碼。例如，

  Quote:

  $ gcc -o hello hello.c            #采用預設選項，不優化 $ gcc -O2 -o hello2 hello.c        #優化等次是2 $ gcc -Os -o hellos hello.c        #優化目标代碼的大小 $ ls -S hello hello2 hellos        #可以看到，hellos比較小,hello2比較大 hello2  hello  hellos $ time ./hello hello, world real    0m0.001s user    0m0.000s sys     0m0.000s $ time ./hello2                #可能是代碼比較少的緣故，執行效率看上去不是很明顯 hello, world real    0m0.001s user    0m0.000s sys     0m0.000s $ time ./hellos                #雖然目标代碼小了，但是執行效率慢了些 hello, world real    0m0.002s user    0m0.000s sys     0m0.000s

      根據上面的簡單示範，可以看出gcc有很多不同的優化選項，主要看使用者的需求了，目标代碼的大小和效率之間貌似存在一個“糾纏”，需要開發人員自己權衡。

      下面我們通過-S選項來看看編譯出來的中間結果，彙編語言，還是以之前那個hello.c為例。

  Quote:

  $ gcc -S hello.c        #預設輸出是hello.s，可自己指定，輸出到螢幕-o -，輸出到其他檔案-o file $ cat hello.s cat hello.s         .file   "hello.c"         .section        .rodata .LC0:         .string "hello, world"         .text .globl main         .type   main, @function main:         leal    4(%esp), %ecx         andl    $-16, %esp         pushl   -4(%ecx)         pushl   %ebp         movl    %esp, %ebp         pushl   %ecx         subl    $4, %esp         movl    $.LC0, (%esp)         call    puts         movl    $0, %eax         addl    $4, %esp         popl    %ecx         popl    %ebp         leal    -4(%ecx), %esp         ret         .size   main, .-main         .ident  "GCC: (GNU) 4.1.3 20070929 (prerelease) (Ubuntu 4.1.2-16ubuntu2)"         .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

      不知道看出來沒？和我們在課堂裡學的intel的彙編文法不太一樣，這裡用的是AT&T文法格式。如果之前沒接觸過AT&T的，可以看看 參考資料[2]。如果想學習Linux下的彙編語言開發，從下一節開始哦，下一節開始的所有章節基本上覆寫了Linux下彙編語言開發的一般過程，不過這 裡不介紹彙編語言文法。

      這裡需要補充的是，在寫C語言代碼時，如果能夠對編譯器比較熟悉（工作原理和一些細節）的話，可能會很有幫助。包括這裡的優化選項(有些優化選項可能在彙 編時采用)和可能的優化措施，例如位元組對齊(可以看看這本書"Linux_Assembly_Language_Programming"的第六小節)、 條件分支語句裁減(删除一些明顯分支)等。

  本節參考資料

  [1] Guide to Assembly Language Programming in Linux(pdf教程，社群有下載下傳)

  http://oss.lzu.edu.cn/modules/wfdownloads/singlefile.php?cid=5&lid=94

  [2] Linux彙編語言開發指南（線上）：

  http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-assembly/index.html

  [3] PowerPC 彙編

  http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/hardware/ppc/assembly/index.html

  [4] 用于 Power 體系結構的彙編語言

  http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-powasm1.html

  [5] Linux Assembly HOWTO

  http://mirror.lzu.edu.cn/tldp/HOWTO/Assembly-HOWTO/

  [6] Linux 中 x86 的内聯彙編

  http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/assemble/inline/index.html

  [7] Linux Assembly Language Programming

  http://mirror.lzu.edu.cn/doc/incoming/ebooks/linux-unix/Linux_EN_Original_Books

• 文章轉載自:http://www.cppblog.com/cuijixin/archive/2008/03/14/44459.html