第二章：编译和链接

发表于 2024-03-21 更新于 2025-10-28 分类于读书笔记

第二章：编译和链接

2.1 被隐藏了的过程

预编译（Preprocessing）

预编译阶段主要处理以下内容：

处理所有的预处理指令
展开所有的宏定义
处理条件编译指令
删除注释

示例代码：

#include <stdio.h>

#define MAX 100
#define SQUARE(x) ((x) * (x))

#ifdef DEBUG
    #define LOG(msg) printf("Debug: %s\n", msg)
#else
    #define LOG(msg)
#endif

int main() {
    int a = MAX;
    int b = SQUARE(a);
    LOG("Calculation completed");
    return 0;
}

使用以下命令查看预处理后的文件：

1	gcc -E preprocessing.c -o preprocessing.i

编译（Compilation）

编译阶段将预处理后的文件转换为汇编代码。主要包括以下步骤：

词法分析
- 将源代码分解成标记（token）
- 识别关键字、标识符、运算符等
语法分析
- 将标记组织成语法树
- 检查语法正确性
语义分析
- 检查类型匹配
- 检查变量声明
- 检查函数调用
中间代码生成
- 生成中间表示（IR）
- 优化中间代码
目标代码生成
- 生成汇编代码
- 寄存器分配
- 指令选择

示例代码：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int result = add(x, y);
    return result;
}

使用以下命令生成汇编代码：

1	gcc -S compilation.c -o compilation.s

汇编（Assembly）

汇编阶段将汇编代码转换为机器码。主要包括：

将汇编指令转换为机器指令
生成目标文件（.o文件）
生成符号表

使用以下命令生成目标文件：

1	gcc -c compilation.s -o compilation.o

链接（Linking）

链接阶段将多个目标文件合并成一个可执行文件。主要包括：

地址和空间分配
符号决议
重定位

示例代码（多文件）：

#include <stdio.h>

extern int add(int a, int b);

int main() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int result = add(x, y);
    printf("Result: %d\n", result);
    return 0;
}

1
2
3

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

编译和链接命令：

1
2
3

gcc -c link_main.c -o link_main.o
gcc -c link_add.c -o link_add.o
gcc link_main.o link_add.o -o program

2.2 编译器做了什么

词法分析

词法分析器将源代码分解成标记（token）。例如：

1	int a = 10;

会被分解为：

关键字：int
标识符：a
运算符：=
常量：10
分号：;

语法分析

语法分析器将标记组织成语法树。例如：

if (a > b) {
    return a;
} else {
    return b;
}

会生成类似这样的语法树：

    if
   /   \
  >     else
 / \    /   \
a   b  return return
         |      |
         a      b

语义分析

语义分析器检查程序的语义正确性。例如：

1
2
3

int a = "hello";  // 类型不匹配错误
int b = 10;
int c = a + b;    // 类型不匹配错误

中间代码生成

中间代码生成器生成中间表示。例如：

1
2
3

int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;

可能生成类似这样的中间代码：

1
2
3

t1 = 10
t2 = 20
t3 = t1 + t2

目标代码生成

目标代码生成器生成最终的汇编代码。例如：

1
2
3

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

可能生成类似这样的汇编代码：

add:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    mov     DWORD PTR [rbp-4], edi
    mov     DWORD PTR [rbp-8], esi
    mov     edx, DWORD PTR [rbp-4]
    mov     eax, DWORD PTR [rbp-8]
    add     eax, edx
    pop     rbp
    ret

实践练习

预编译实验

# 创建预编译示例文件
cat > preprocess.c << EOL
#include <stdio.h>
#define SQUARE(x) ((x) * (x))
int main() {
    int a = 5;
    printf("%d\n", SQUARE(a));
    return 0;
}
EOL

# 查看预编译结果
gcc -E preprocess.c -o preprocess.i

编译实验

# 生成汇编代码
gcc -S preprocess.c -o preprocess.s

# 查看生成的汇编代码
cat preprocess.s

链接实验

# 编译多个源文件
gcc -c preprocess.c -o preprocess.o
gcc preprocess.o -o preprocess

# 运行程序
./preprocess

思考题

预编译阶段为什么要处理条件编译指令？
词法分析和语法分析的区别是什么？
为什么需要中间代码生成阶段？
链接阶段的主要任务是什么？
编译器优化在哪个阶段进行？

参考资料

《程序员的自我修养：链接、装载与库》
《编译原理》（龙书）
GCC 在线文档
LLVM 文档
GNU Binutils 文档