編譯器背后的故事

• 一、可執(zhí)行程序是如何被組裝的？
• • 1. 用 gcc 生成 .a 靜態(tài)庫和 .so 動態(tài)庫
  • • 1.1 編輯得到舉例的程序：hello.h、hello.c和main.c
    • 1.2 將hello.c編譯成.o文件；
    • 1.3由.o文件創(chuàng)建靜態(tài)庫
    • 1.4 在程序中使用靜態(tài)庫
    • 1.5由.o文件創(chuàng)建動態(tài)庫文件
    • 1.6 在程序中使用動態(tài)庫
  • 2.Linux下靜態(tài)庫.a與.so庫文件的生成與使用
  • • 2.1 編輯所需程序
    • 2.1 靜態(tài)庫.a文件的生成與使用
    • 2.2 共享庫.so文件的生成與使用
  • 3. 將第一次學習內容的程序進行改編
  • • 3.1 完成目標（1）
    • 3.2 完成目標（2）
• 二、Gcc不是一個人在戰(zhàn)斗。
• • 1. Linux GCC常用命令
  • • 1.1 程序準備
    • 1.2 程序的簡單編譯
    • 1.3 程序的分步編譯
  • 2. 比較hello.asm與C代碼生成的可執(zhí)行文件
  • • 2.1 搭建環(huán)境：在Ubuntu上安裝nasm

一、可執(zhí)行程序是如何被組裝的？

1. 用 gcc 生成 .a 靜態(tài)庫和 .so 動態(tài)庫

我們通常把一些公用函數(shù)制作成函數(shù)庫，供其它程序使用。函數(shù)庫分為靜態(tài)庫和動態(tài)庫兩種。靜態(tài)庫在程序編譯時會被連接到目標代碼中，程序運行時將不再需要該靜態(tài)庫。動態(tài)庫在程序編譯時并不會被連接到目標代碼中，而是在程序運行是才被載入，因此在程序運行時還需要動態(tài)庫存在。
我們通過舉例來說明在Linux中如何創(chuàng)建靜態(tài)庫和動態(tài)庫，以及使用它們，在創(chuàng)建函數(shù)庫前，我們先來準備舉例用的源程序，并將函數(shù)庫的源程序編譯成.o文件。

1.1 編輯得到舉例的程序：hello.h、hello.c和main.c

hello.c是函數(shù)庫的源程序，其中包含公用函數(shù)hello，該函數(shù)將在屏幕上輸出"Hello XXX!"。hello.h為該函數(shù)庫的頭文件。main.c為測試庫文件的主程序，在主程序中調用了公用函數(shù)hello。
hello.h

hello.c

main.c

1.2 將hello.c編譯成.o文件；

無論靜態(tài)庫，還是動態(tài)庫，都是由.o文件創(chuàng)建的。因此，我們必須將源程序hello.c通過gcc先編譯成.o文件。
在系統(tǒng)提示符下鍵入以下命令得到hello.o文件。
gcc -c hello.c
通過ls命令查看是否生成了hello.o文件

1.3由.o文件創(chuàng)建靜態(tài)庫

靜態(tài)庫文件名的命名規(guī)范是以lib為前綴，緊接著跟靜態(tài)庫名，擴展名為.a。例如：我們將創(chuàng)建的靜態(tài)庫名為myhello，則靜態(tài)庫文件名就是libmyhello.a。在創(chuàng)建和使用靜態(tài)庫時，需要注意這點。創(chuàng)建靜態(tài)庫用ar命令。
在系統(tǒng)提示符下鍵入以下命令將創(chuàng)建靜態(tài)庫文件libmyhello.a，并用ls命令查看結果
ar -crv libmyhello.a hello.o

1.4 在程序中使用靜態(tài)庫

靜態(tài)庫制作完了，如何使用它內部的函數(shù)呢？只需要在使用到這些公用函數(shù)的源程序中包含這些公用函數(shù)的原型聲明，然后在用gcc命令生成目標文件時指明靜態(tài)庫名，gcc將會從靜態(tài)庫中將公用函數(shù)連接到目標文件中。注意，gcc會在靜態(tài)庫名前加上前綴lib，然后追加擴展名.a得到的靜態(tài)庫文件名來查找靜態(tài)庫文件。
在程序3:main.c中，我們包含了靜態(tài)庫的頭文件hello.h，然后在主程序main中直接調用公用函數(shù)hello。下面先生成目標程序hello，然后運行hello程序看看結果如何。
我們輸入以下指令：gcc main.c libmyhello.a -o hello

我們刪除靜態(tài)庫文件試試公用函數(shù)hello是否真的連接到目標文件 hello中了。

（這里我打錯了一段指令，馬了別介意: D）
程序照常運行，靜態(tài)庫中的公用函數(shù)已經連接到目標文件中了。

1.5由.o文件創(chuàng)建動態(tài)庫文件

我們繼續(xù)看看如何在Linux中創(chuàng)建動態(tài)庫。我們還是從.o文件開始。
動態(tài)庫文件名命名規(guī)范和靜態(tài)庫文件名命名規(guī)范類似，也是在動態(tài)庫名增加前綴lib，但其文件擴展名為.so。例如：我們將創(chuàng)建的動態(tài)庫名為myhello，則動態(tài)庫文件名就是libmyhello.so。用gcc來創(chuàng)建動態(tài)庫。
在系統(tǒng)提示符下鍵入以下命令得到動態(tài)庫文件libmyhello.so,并用ls命令查看
gcc -shared -fPIC -o libmyhello.so hello.o （-o不可少）

1.6 在程序中使用動態(tài)庫

在程序中使用動態(tài)庫和使用靜態(tài)庫完全一樣，也是在使用到這些公用函數(shù)的源程序中包含這些公用函數(shù)的原型聲明，然后在用gcc命令生成目標文件時指明動態(tài)庫名進行編譯。我們先運行gcc命令生成目標文件，再運行它看看結果。
輸入以下指令：gcc -o hello main.c -L. -lmyhello

這里出現(xiàn)了錯誤，我們看看錯誤提示，原來是找不到動態(tài)庫文件libmyhello.so。程序在運行時，會在/usr/lib和/lib等目錄中查找需要的動態(tài)庫文件。若找到，則載入動態(tài)庫，否則將提示類似上述錯誤而終止程序運行。我們將文件libmyhello.so復制到目錄/usr/lib中，再試試。

2.Linux下靜態(tài)庫.a與.so庫文件的生成與使用

如前面一樣，我們先生成舉例所需要的文件

2.1 編輯所需程序

A1.c

A2.c

A.h

test.c

2.1 靜態(tài)庫.a文件的生成與使用

（1） 生成目標文件（XXX.o）
指令如下：gcc -c A1.c A2.c

(2）生成靜態(tài)庫.a文件
指令如下：ar crv libafile.a A1.o A2.o

（3）使用.a 庫文件，創(chuàng)建可執(zhí)行程序（若采用此種方式，需保證生成的.a 文件與.c 文件保存在同一目錄下，即都在當前目錄下）
指令如下：

cpp gcc -o test test.c libafile.a
./test

2.2 共享庫.so文件的生成與使用

（1）生成目標文件（XXX.o）（此處生成.o 文件必須添加"-fpic"(小模式，代碼少)，否則在生成.so文件時會出錯）
指令：gcc -c -fpic A1.c A2.c
（2）生成共享庫.so文件
指令：gcc -shared *.o -o libsofile.so
（3）使用.so 庫文件，創(chuàng)建可執(zhí)行程序
指令：gcc -o test test.c libsofile.s

當輸入以下指令時：./test
發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)錯誤：

原因與之前使用動態(tài)庫的情況相同：找不到對用的.so文件，故需將對應 so 文件拷貝到對應路徑。
指令
如下：sudo cp libsofile.so /usr/lib

同時可直接使用 gcc -o test test.c -L. -lname，來使用相應庫文件
其中，
-L.：表示在當前目錄下，可自行定義路徑 path，即使用-Lpath 即可。
-lname：name:即對應庫文件的名字(除開 lib)，即若使用 libafile.a，則 name 為 afile；若要使用 libsofile.so，則 name 為 sofile。

3. 將第一次學習內容的程序進行改編

目標：
（1）除了x2x函數(shù)之外，再擴展寫一個x2y函數(shù)（功能自定），main函數(shù)代碼將調用x2x和x2y ；將這3個函數(shù)分別寫成單獨的3個 .c文件，并用gcc分別編譯為3個.o 目標文件；將x2x、x2y目標文件用 ar工具生成1個 .a 靜態(tài)庫文件, 然后用 gcc將 main函數(shù)的目標文件與此靜態(tài)庫文件進行鏈接，生成最終的可執(zhí)行程序，記錄文件的大小。
（2）將x2x、x2y目標文件用 ar工具生成1個 .so 動態(tài)庫文件, 然后用 gcc將 main函數(shù)的目標文件與此動態(tài)庫文件進行鏈接，生成最終的可執(zhí)行程序，記錄文件的大小，并與之前做對比。

3.1 完成目標（1）

（1）編輯所需程序
x2x.c

x2y.c

main.c

（2）將以上文件用gcc編譯成.o文件


（3）將x2x.o和x2y.o用 ar工具生成 .a 靜態(tài)庫文件

（4）使用gcc將main.c文件與此靜態(tài)庫文件進行鏈接

（5） 運行xymain程序


記錄文件大小為16888B

3.2 完成目標（2）

（1）將x2x.o、x2y.o文件用ar工具生成.so 動態(tài)庫文件
（2）用gcc將main.c文件與此動態(tài)庫文件進行鏈接

（3）運行somain

記錄文件大小為16888B

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二、Gcc不是一個人在戰(zhàn)斗。

GCC 的意思也只是 GNU C Compiler 而已。經過了這么多年的發(fā)展，GCC 已經不僅僅能支持 C語言；它現(xiàn)在還支持 Ada 語言、C++ 語言、Java 語言、Objective C 語言、Pascal 語言、COBOL語言，以及支持函數(shù)式編程和邏輯編程的 Mercury 語言，等等。而 GCC 也不再單只是 GNU C 語言編譯器的意思了，而是變成了 GNU Compiler Collection 也即是 GNU 編譯器家族的意思了。另一方面，說到 GCC 對于操作系統(tǒng)平臺及硬件平臺支持，概括起來就是一句話：無所不在。

1. Linux GCC常用命令

1.1 程序準備

1.2 程序的簡單編譯

這個程序的一步到位的編譯指令是gcc test.c -o main

1.3 程序的分步編譯

實質上，上述編譯過程是分為四個階段進行的，即預處理(也稱預編譯，Preprocessing)、編譯(Compilation)、匯編 (Assembly)和連接(Linking)。

gcc -E test.c -o test.i //預處理
gcc -S test.i -o test.s //編譯
gcc -c test.s -o test.o //匯編
gcc test.o -o test //連接

執(zhí)行以上指令后生成以下文件，并查看運行結果

2. 比較hello.asm與C代碼生成的可執(zhí)行文件

2.1 搭建環(huán)境：在Ubuntu上安裝nasm