C/C++程序編譯步驟詳解
C/C++語言很多人都比較熟悉，這基本上是每位大學生必學的一門編程語言，通常還都是作為程序設計入門語言學的，并且課程大多安排在大一。剛上大學，孩子們還都很乖，學習也比較認真，用心。所以，C/C++語言掌握地也都不錯，不用說編譯程序，就是寫個上幾百行的程序都不在話下，但是他們真的知道C/C++程序編譯的步驟么？
我想很多人都不甚清楚，如果他接下來學過“編譯原理”，也許能說個大概。VC的“舒適”開發環境屏蔽了很多編譯的細節，這無疑降低了初學者的入門門檻，但是也“剝奪”了他們“知其所以然”的權利，致使很多東西只能死記硬背，遇到相關問題就“丈二”。實際上，我也是在學習Linux環境下編程的過程中才逐漸弄清楚C/C++源代碼是如何一步步變成可執行文件的。
總體來說，C/C++源代碼要經過：預處理、編譯、匯編和連接四步才能變成相應平臺下的可執行文件。大多數時候，程序員通過一個命令就能完成上述四個步驟。比如下面這段C的“Hello world！”代碼:
File: hw.c
#include stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
? ?? ???printf("Hello World!\n");
? ?? ???return 0;
}
如果用gcc編譯，只需要一個命令就可以生成可執行文件hw:
xiaosuo@gentux hw $ gcc -o hw hw.c
xiaosuo@gentux hw $ ./hw Hello World!?
我們可以用-v參數來看看gcc到底在背后都做了些什么動作:
Reading specs from /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/specs
Configured with: /var/tmp/portage/sys-devel/gcc-3.4.6-r2/work/gcc-3.4.6/configure --prefix=/usr --bindir=/usr/i686-pc-linux-gnu/gcc-bin/3.4.6 --includedir=/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include --datadir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 --mandir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/man --infodir=/usr/share/gcc-data/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/info --with-gxx-include-dir=/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include/g++-v3 --host=i686-pc-linux-gnu --build=i686-pc-linux-gnu --disable-altivec --enable-nls --without-included-gettext --with-system-zlib --disable-checking --disable-werror --enable-secureplt --disable-libunwind-exceptions --disable-multilib --disable-libgcj --enable-languages=c,c++,f77 --enable-shared --enable-threads=posix --enable-__cxa_atexit --enable-clocale=gnu
Thread model: posix
gcc version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10)
/usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/cc1 -quiet -v hw.c -quiet -dumpbase hw.c -mtune=pentiumpro -auxbase hw -version -o /tmp/ccYB6UwR.s
ignoring nonexistent directory "/usr/local/include"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/include"
#include "..." search starts here:
#include ...> search starts here:
/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/include
/usr/include
End of search list.
GNU C version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10) (i686-pc-linux-gnu)
? ?? ???compiled by GNU C version 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.9).
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=81 --param ggc-min-heapsize=97004
/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/bin/as -V -Qy -o /tmp/ccq8uGED.o /tmp/ccYB6UwR.s
GNU assembler version 2.17 (i686-pc-linux-gnu) using BFD version 2.17
/usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o hw /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crt1.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crti.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../../i686-pc-linux-gnu/lib -L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../.. /tmp/ccq8uGED.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crtn.o
稍微整理一下，去掉一些冗余信息后，如下:
cc1 hw.c -o /tmp/ccYB6UwR.s
as -o /tmp/ccq8uGED.o /tmp/ccYB6UwR.s
ld -o hw /tmp/ccq8uGED.o
以上三個命令分別對應于編譯步驟中的預處理+編譯、匯編和連接。預處理和編譯還是放在了一個命令（cc1）中進行的，可以把它再次拆分為以下兩步:
cpp -o hw.i hw.c
cc1 hw.i -o /tmp/ccYB6UwR.s
一個精簡過的能編譯以上hw.c文件的Makefile如下:
.PHONY: clean
all: hw
hw: hw.o
? ?? ???ld -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o hw /usr/lib/crt1.o \
? ?? ?? ?? ?? ? /usr/lib/crti.o \
? ?? ?? ?? ?? ? /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbegin.o \
? ?? ?? ?? ?? ? hw.o -lc \
? ?? ?? ?? ?? ? /usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o \
? ?? ?? ?? ?? ? /usr/lib/crtn.o
hw.o: hw.s
? ?? ???as -o hw.o hw.s
hw.s: hw.i
? ?? ???/usr/libexec/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/cc1 -o hw.s hw.c
hw.i: hw.c
? ?? ???cpp -o hw.i hw.c
clean:
? ?? ???rm -rf hw.i hw.s hw.o
當然，上面Makefile中的一些路徑是我系統上的具體情況，你的可能與我的不同。
接下來我們按照編譯順序看看編譯器每一步都做了什么。
首先是預處理，預處理后的文件hw.i:
# 1 "hw.c"
# 1 ""
# 1 ""
...
__extension__ typedef __quad_t __off64_t;
__extension__ typedef int __pid_t;
__extension__ typedef struct { int __val[2]; } __fsid_t;
...
extern int remove (__const char *__filename) __attribute__ ((__nothrow__));
extern int rename (__const char *__old, __const char *__new) __attribute__ ((__nothrow__));
...
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("Hello World!\n");
return 0;
}
注：由于文件比較大，所以只留下了少部分具有代表性的內容。
可以看見預處理器把所有要包含（include）的文件（包括遞歸包含的文件）的內容都添加到了原始的C源文件中，然后把其輸出到輸出文件，除此之外，它還展開了所有的宏定義，所以在預處理器的輸出文件中你將找不到任何宏。這也提供了一個查看宏展開結果的簡便方法。
第二步“編譯”，就是把C/C++代碼“翻譯”成匯編代碼：
.file "hw.c"
? ?? ???.section .rodata
.LC0:
? ?? ???.string "Hello World!\n"
? ?? ???.text
.globl main
? ?? ???.type main, @function
main:
? ?? ???pushl %ebp
? ?? ???movl %esp, %ebp
? ?? ???subl $8, %esp
? ?? ???andl $-16, %esp
? ?? ???movl $0, %eax
? ?? ???addl $15, %eax
? ?? ???addl $15, %eax
? ?? ???shrl $4, %eax
? ?? ???sall $4, %eax
? ?? ???subl %eax, %esp
? ?? ???subl $12, %esp
? ?? ???pushl $.LC0
? ?? ???call printf
? ?? ???addl $16, %esp
? ?? ???movl $0, %eax
? ?? ???leave
? ?? ???ret
? ?? ???.size main, .-main
? ?? ???.section .note.GNU-stack,"",@progbits
? ?? ???.ident "GCC: (GNU) 3.4.6 (Gentoo 3.4.6-r2, ssp-3.4.6-1.0, pie-8.7.10)"
這個匯編文件比預處理后的C/C++文件小了很多，去除了很多不必要的東西，比如說沒用到的類型聲明和函數聲明等。
第三步“匯編”，將第二步輸出的匯編代碼翻譯成符合一定格式的機器代碼，在Linux上一般表現為ELF目標文件。
xiaosuo@gentux hw $ file hw.o
hw.o: ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
最后一步“連接”，將上步生成的目標文件和系統庫的目標文件和庫文件連接起來，最終生成了可以在特定平臺運行的可執行文件。為什么還要連接系統庫中的某些目標文件（crt1.o, crti.o等）呢？這些目標文件都是用來初始化或者回收C運行時環境的，比如說堆內存分配上下文環境的初始化等，實際上crt也正是C RunTime的縮寫。這也暗示了另外一點：程序并不是從main函數開始執行的，而是從crt中的某個入口開始的，在Linux上此入口是_start。以上Makefile生成的是動態連接的可執行文件，如果要生成靜態連接的可執行文件需要將Makefile中的相應段修改：
hw: hw.o
? ? ld -m elf_i386 -static -o hw /usr/lib/crt1.o \
? ?? ???/usr/lib/crti.o \
? ?? ???/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtbeginT.o \
? ?? ???-L/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6 \
? ?? ???-L/usr/i686-pc-linux-gnu/lib \
? ?? ???-L/usr/lib/ \
? ?? ???hw.o --start-group -lgcc -lgcc_eh -lc --end-group \
? ?? ???/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/crtend.o \
? ?? ???/usr/lib/gcc/i686-pc-linux-gnu/3.4.6/../../../crtn.o
至此，一個可執行文件才最終創建完成。通常的項目中并不需要把編譯過程分得如此之細，前三步一般是合為一體的，在Makefile中表現如下:
hw.o: hw.c
? ? gcc -o hw.o -c hw.c
實際上，如果對hw.c進行了什么更改，那么前三步大多數情況下都是不可避免的。所以把他們寫在一起也并沒有什么壞處，相反倒可以用--pipe參數告訴編譯器用管道替代臨時文件，從而提升編譯的效率。