一. 編譯器

編譯器也是一種程序，其作用是將一種語(yǔ)言翻譯為另一種語(yǔ)言，通常是將高級(jí)語(yǔ)言翻譯為低級(jí)語(yǔ)言，或者說是將源代碼翻譯成能被計(jì)算機(jī)或虛擬機(jī)執(zhí)行的目標(biāo)代碼。

編譯器的主要工作流程是：源代碼-預(yù)處理器-編譯器-目標(biāo)代碼-鏈接器-可執(zhí)行文件

另一個(gè)角度的工作流程：詞法分析-語(yǔ)法分析-語(yǔ)義分析-中間代碼生成-代碼優(yōu)化-目標(biāo)代碼生成-目標(biāo)代碼優(yōu)化

編譯器的種類

“本地”編譯器

用來(lái)生成與編譯器本身所在環(huán)境操作系統(tǒng)（平臺(tái)）相同的環(huán)境運(yùn)行的目標(biāo)代碼的編譯器叫“本地”編譯器。

“交叉”編譯器

生成用來(lái)在其他平臺(tái)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼，這種編譯器叫做“交叉”編譯器。這個(gè)過程也叫交叉編譯。

例如：在 Mac 上編譯能在 Android 上運(yùn)行的 so ， 這個(gè)過程就屬于交叉編譯。

編譯器的前后端

以中間代碼生成步驟為中心劃分：

• 與源語(yǔ)言有關(guān)，與目標(biāo)語(yǔ)言無(wú)關(guān)的部分叫做編譯器前端
• 和目標(biāo)語(yǔ)言有關(guān)，和源語(yǔ)言無(wú)關(guān)的部分叫做編譯器后端

將編譯器分為前端和后端，對(duì)編譯技術(shù)的起到了一定作用。

二. GNU & GCC & Clang & llvm

1. GNU

GNU, Gnu's Not Unix 的縮寫。由于一開始 Unix 系統(tǒng)是商業(yè)收費(fèi)的，理查德·斯托曼提出 GNU 計(jì)劃，希望發(fā)展出一套完整的開放源代碼操作系統(tǒng)來(lái)取代 Unix，名為 GNU 。

1989 年，GNU 項(xiàng)目中編輯器、編譯器、shell 等都已完成，唯獨(dú)缺了操作系統(tǒng)核心，所以開始正式發(fā)展 Hurd 來(lái)作為 GNU 計(jì)劃的操作系統(tǒng)。

1991 年，Linux 出現(xiàn)， GNU 項(xiàng)目的軟件可在 Linux 上運(yùn)行。

1992 年，Linux 和 GNU 結(jié)合，形成完全自由的操作系統(tǒng)，稱為 GNU/Linux 簡(jiǎn)稱 Linux 。此時(shí) Hurd 還沒完善，被拋棄。

2. GCC

gcc, GNU C Compiler 的縮寫，是 GNU 項(xiàng)目的編譯器部分，也是類 Unix 和 Mac OS X 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)編譯器。

gcc 原本只處理 C 語(yǔ)言，后來(lái)也發(fā)展成可處理 Object-c、Java 、C++。

g++

gcc 和 g++ 都是 GNU 的編譯器。他們的區(qū)別如下：

• 對(duì)于 .c ，gcc 把它當(dāng)作 C 程序，而 g++ 當(dāng)作 C++ 程序；對(duì)于 .cpp , gcc 和 g++ 都會(huì)當(dāng)作 c++ 程序。

對(duì)于 .cpp 的編譯鏈接
gcc 和 g++ 都可以編譯，而鏈接可以用 g++ 或者gcc -lstdc++。因?yàn)?gcc 命令不能自動(dòng)和 C++ 程序使用的庫(kù)聯(lián)接，所以通常使用 -lstdc++ 來(lái)完成聯(lián)接。

3. Clang

Clang 是一個(gè) C、C++、Objective-C 和 Objective-C++ 編程語(yǔ)言的編譯器前端。它采用了底層虛擬機(jī)（LLVM）作為其后端。這個(gè)軟件項(xiàng)目是由蘋果發(fā)起的，目標(biāo)是替代 GNU 的 gcc 編譯器套裝。

因?yàn)?gcc 的編譯器慢慢無(wú)法滿足蘋果的需求，因此，蘋果開發(fā)了 Clang 與LLVM來(lái)完全取代 gcc，Xcode4 之后，蘋果的默認(rèn)編譯器已經(jīng)是 Clang/LLVM 。Clang 作為編譯器前端，LLVM 作為編譯器后端。

4. MinGw

MinGw 是 Minimalist GNU for Windows 的縮寫。它是一個(gè)可自由使用和自由發(fā)布的 Windows 特定頭文件和使用 GNU 工具集導(dǎo)入庫(kù)的集合，允許在 Windows 平臺(tái)生成本地的 Windows 程序而不需要第三方 C 運(yùn)行時(shí)（C Runtime）庫(kù)。

三. C/C++ 編譯過程

C/C++ 編譯過程可以分為四個(gè)步驟：

• 預(yù)處理
• 編譯
• 匯編
• 鏈接

1.預(yù)處理

預(yù)處理是處理文件中的預(yù)處理命令，通常是 # 開頭，預(yù)處理通常包含如下步驟：

• 替換宏定義 #define
• 處理?xiàng)l件預(yù)編譯指令如 #if
• 處理 #include 指令，將需要包含的文件遞歸包含進(jìn)來(lái)
• 等等

可以使用 -E 命令執(zhí)行預(yù)處理操作，-o 表示生成的文件，最終生成 .i 文件

gcc -E -o test.i test.c


例如：有 test.h test.c 文件

>>test.h
int func(int a,int b) {
    return a + b;
}

>>test.c 

#include "test.h"
#define A 1
#define B 2
int main() {
    
    int c = func(A,B);
}

執(zhí)行 gcc -E -o test.i test.c

>> 生成的 test.i

# 1 "test.c"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 363 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "test.c" 2

# 1 "./test.h" 1


int func(int a,int b) {
    return a + b;
}
# 3 "test.c" 2


int main() {

    int c = func(1,2);
}

2. 編譯

編譯的過程是將經(jīng)過處理之后的程序轉(zhuǎn)換成特定匯編語(yǔ)言代碼的過程，可以使用 -E 命令執(zhí)行編譯操作，其表示讓編譯器編譯之后停止，不進(jìn)行后續(xù)步驟。

gcc -S -o test.s test.c

>> 匯編代碼：

    .section    __TEXT,__text,regular,pure_instructions
    .build_version macos, 10, 15    sdk_version 10, 15, 4
    .globl  _func                   ## -- Begin function func
    .p2align    4, 0x90
_func:                                  ## @func
    .cfi_startproc
## %bb.0:
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    %esi, -8(%rbp)
    movl    -4(%rbp), %eax
    addl    -8(%rbp), %eax
    popq    %rbp
    retq
    .cfi_endproc
                                        ## -- End function
    .globl  _main                   ## -- Begin function main
    .p2align    4, 0x90
_main:                                  ## @main
    .cfi_startproc
## %bb.0:
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset %rbp, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register %rbp
    subq    $16, %rsp
    movl    $1, %edi
    movl    $2, %esi
    callq   _func
    xorl    %ecx, %ecx
    movl    %eax, -4(%rbp)
    movl    %ecx, %eax
    addq    $16, %rsp
    popq    %rbp
    retq
    .cfi_endproc
                                        ## -- End function

.subsections_via_symbols

3.匯編

匯編是將上述匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，這一步產(chǎn)生的文件叫做目標(biāo)文件，是二進(jìn)制格式。每一個(gè)源文件都會(huì)產(chǎn)生一個(gè) .o 的目標(biāo)文件。

as test.s -o test.o

等價(jià)于

gcc –c test.c –o test.o

>> 這里就不貼

4.鏈接

鏈接過程是將目標(biāo)文件以及所需的庫(kù)文件，鏈接成最終的 .out 可執(zhí)行文件。鏈接程序的主要工作就是將有關(guān)的 .o 的目標(biāo)文件彼此相連接，使得所有的這些目標(biāo)文件成為一個(gè)能夠被操作系統(tǒng)裝入執(zhí)行的統(tǒng)一整體。

>> 執(zhí)行
gcc test.c

生成 a.out 的可執(zhí)行文件

在 mac 上執(zhí)行 ./a.out 可運(yùn)行文件

四. 靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接

靜態(tài)鏈接

靜態(tài)鏈接：在鏈接階段，將匯編生成的目標(biāo)文件 .o 與引用到的庫(kù)一起鏈接打包進(jìn)可執(zhí)行文件中。就是在編譯鏈接時(shí)直接將需要的執(zhí)行代碼拷貝到調(diào)用處，因此允許的時(shí)候存在多份內(nèi)存拷貝。

靜態(tài)鏈接庫(kù)：一組目標(biāo)文件的的集合，即很多目標(biāo)文件經(jīng)過壓縮后打包形成一個(gè)文件 .a

靜態(tài)鏈接庫(kù)的特點(diǎn)：

• 靜態(tài)庫(kù)對(duì)函數(shù)庫(kù)的鏈接是放在編譯時(shí)期完成的
• 程序在運(yùn)行的時(shí)候與函數(shù)庫(kù)無(wú)關(guān)
• 浪費(fèi)內(nèi)存，多個(gè)地方調(diào)用某個(gè)函數(shù)就存在多次拷貝

動(dòng)態(tài)鏈接

就是在編譯的時(shí)候不直接拷貝可執(zhí)行的代碼，而是通過記錄一系列符號(hào)和參數(shù)，在程序運(yùn)行或加載時(shí)將這些信息傳遞給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將需要的動(dòng)態(tài)庫(kù)加載到內(nèi)存中。

然后程序在運(yùn)行到指定的代碼時(shí)，去共享執(zhí)行內(nèi)存中已經(jīng)加載的動(dòng)態(tài)庫(kù)可執(zhí)行代碼，最終達(dá)到運(yùn)行時(shí)連接的目的。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的特點(diǎn)：

• 動(dòng)態(tài)庫(kù)把對(duì)一些庫(kù)函數(shù)的鏈接載入推遲到程序運(yùn)行的時(shí)期。
• 多個(gè)程序可以共享同一段代碼，而不需要在內(nèi)存上存儲(chǔ)多個(gè)拷貝，
• 缺點(diǎn)是由于是運(yùn)行時(shí)加載，可能會(huì)影響程序的前期執(zhí)行性能。

不同操作系統(tǒng)下編譯過程文件的后綴

參考文章

編譯器
編譯器(GNU & GCC & clang & llvm)
C語(yǔ)言編譯過程詳解
Linux 中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和靜態(tài)鏈接庫(kù)是干什么的