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興海北路

---男兒仗劍自橫行
<2008年3月>
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GCC編譯背后(第一部分:預處理和編譯)
by falcon <zhangjinw@gmail.com>

平時在Linux下寫代碼,直接用"gcc -o out in.c"就把代碼編譯好了,但是這后面到底做了什么事情呢?如果學習過編譯原理則不難理解,一般高級語言程序編譯的過程莫過于:預處理、編譯、匯編、鏈 接。gcc在后臺實際上也經歷了這幾個過程,我們可以通過-v參數查看它的編譯細節,如果想看某個具體的編譯過程,則可以分別使用-E,-S,-c和- O,對應的后臺工具則分別為cpp,cc1,as,ld。下面我們將逐步分析這幾個過程以及相關的內容,諸如語法檢查、代碼調試、匯編語言等。

1、預處理

    開篇簡述:預處理是C語言程序從源代碼變成可執行程序的第一步,主要是C語言編譯器對各種預處理命令進行處理,包括頭文件的包含、宏定義的擴展、條件編譯的選擇等。

    以前沒怎么“深入”預處理,腦子對這些東西總是很模糊,只記得在編譯的基本過程(詞法分析、語法分析)之前還需要對源代碼中的宏定義、文件包含、條件編譯 等命令進行處理。這三類的指令很常見,主要有#define, #include和#ifdef ... #endif,要特別地注意它們的用法。(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置一些參數外,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文件的多次包含。關于#include貌似比較簡單,通過man找到某個 函數的頭文件,copy進去,加上<>就okay。這里雖然只關心一些技巧,不過預處理還是蘊含著很多潛在的陷阱(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內容。

  • 打印出預處理之后的結果:gcc -E hello.c

        這樣我們就可以看到源代碼中的各種預處理命令是如何被解釋的,從而方便理解和查錯。

        實際上gcc在這里是調用了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、文件包含、條件編譯等。下面介紹它的一個比較重要的選項-D。

  • 在命令行定義宏:gcc -Dmacro hello.c

        這個等同于在文件的開頭定義宏,即#define maco,但是在命令行定義更靈活。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,那么編譯器就會把printf所在的行編譯進目標代碼,從而方便地跟蹤該位置的某些程序狀態。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打印調試信息,發布時則可以通過去掉該編譯選項把調試信息去掉。

    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、語法分析(-fsyntax-only),接著會把源代碼翻譯成中間語言,即匯編語言。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等解釋語言也會經歷一個詞法分析和語法分析的階段,不過之后并不會進行“翻譯”,而是“解釋”, 邊解釋邊執行。

        把源代碼翻譯成匯編語言,實際上是編譯的整個過程中的第一個階段,之后的階段和匯編語言的開發過程沒有什么區別。這個階段涉及到對源代碼的詞法分析、語法檢查(通過-std指定遵循哪個標準),并根據優化(-O)要求進行翻譯成匯編語言的動作。

        如果僅僅希望進行語法檢查,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語言標準的語法。這里演示一個簡單的例子。

    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    #默認情況下,gcc是允許在程序中間聲明變量的,但是turboc就不支持
    hello.c: In function ‘main’:
    hello.c:5: error: ISO C90 forbids mixed declarations and code



        語法錯誤是程序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語法檢查快速發現這些錯誤,并準確地告訴你語法錯 誤的大概位置。因此,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語法錯 誤索引,很多資料都提供了常見語法錯誤列表,如<C Traps&Pitfalls>和最后面的參考資料[12]也列出了很多常見問題)和編輯器提供的語法檢查功能(語法加亮、括號匹配提示 等)快速定位語法出錯的位置并進行修改。

        語法檢查之后就是翻譯動作,gcc提供了一個優化選項-O,以便根據不同的運行平臺和用戶要求產生經過優化的匯編代碼。例如,

    Quote:

    $ gcc -o hello hello.c            #采用默認選項,不優化
    $ gcc -O2 -o hello2 hello.c        #優化等次是2
    $ gcc -Os -o hellos hello.c        #優化目標代碼的大小
    $ 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                #雖然目標代碼小了,但是執行效率慢了些
    hello, world

    real    0m0.002s
    user    0m0.000s
    sys     0m0.000s



        根據上面的簡單演示,可以看出gcc有很多不同的優化選項,主要看用戶的需求了,目標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,匯編語言,還是以之前那個hello.c為例。
    Quote:

    $ gcc -S hello.c        #默認輸出是hello.s,可自己指定,輸出到屏幕-o -,輸出到其他文件-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?和我們在課堂里學的intel的匯編語法不太一樣,這里用的是AT&T語法格式。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下的匯編語言開發,從下一節開始哦,下一節開始的所有章節基本上覆蓋了Linux下匯編語言開發的一般過程,不過這 里不介紹匯編語言語法。

        這里需要補充的是,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。包括這里的優化選項(有些優化選項可能在匯 編時采用)和可能的優化措施,例如字節對齊(可以看看這本書"Linux_Assembly_Language_Programming"的第六小節)、 條件分支語句裁減(刪除一些明顯分支)等。

    本節參考資料

    [1] Guide to Assembly Language Programming in Linux(pdf教程,社區有下載)
    http://oss.lzu.edu.cn/modules/wfdownloads/singlefile.php?cid=5&lid=94
    [2] Linux匯編語言開發指南(在線):
    http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-assembly/index.html
    [3] PowerPC 匯編
    http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/hardware/ppc/assembly/index.html
    [4] 用于 Power 體系結構的匯編語言
    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 的內聯匯編
    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

  • posted on 2008-03-14 15:22 隨意門 閱讀(918) 評論(0)  編輯 收藏 引用

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