重新学习 C 语言(I. C 语言的编译和链接)
c语言学习的路程也是比较坎坷的,想起当年大学的时候,上c语言课,是大一第一学期,那时候比较懵懂,也完全不知道学习c语言是干啥,并且当初c语言课,不知道为啥老是安排在第一第二节课,经常起不来,哎,惆怅,然后想起第一次c语言上机,我既然连scanf和printf函数都不知道,捂脸。。。
后来大一下学期改变了,开始学习51单片机,51单片机用的也是c语言,不过用的都是比较基础的c,后来直到大四出来实习,才被打击的体无完肤,当年连结构体都不会用,跟不用说文件操作了,哎,再次惆怅。
经过这次,再次发奋图强,再次学习c语言,经过这次的发育,c语言的水平直线上升,指针,文件操作,更不在话下,可惜当年没有留下笔记。
直到最近,又想再次把之前的知识统一整理一下,才想起写一下c语言的专题,这个专题,不打算介绍c语言的语法,那些东西现在好多视频都有,并且我觉得自己也写的无聊,所以这次专门挑那些当年遗漏的,并且尽量深入去了解c,操作系统,这种层面,希望能坚持下来,加油。
1.1 久违的hello world
要说起c语言的第一节,肯定会想起大名鼎鼎的hello world,这里我们第一个c语言程序也是hello world,这时候让我想起一个笑话,说一个程序员退休之后,开始练习书法,然后写的第一个书法就是hello world。当然调侃的意思比较多吧。
#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
printf("hello world\n");
return 0;
}
就是这么简短,这时候我们写完了一个程序,那怎么在运行呢?
我们知道计算机只能机器码,也就是二进制,我们上面写的代码,跟二进制差别很大,所以我们需要借助编译器,c语言的话,就有c语言的编译器,我们通过c语言的编译器,就能把上面的代码转化成机器码的,然后给cpu去执行。
这里我选择用ubuntu系统,因为linux系统可以玩的很多,一些系统操作,肯定比windows好的多。
1.2 一步编译
1.2.1 gcc
想到当年在大学的时候,用vc++6.0,不知道现在还有没有人记得这个软件了,现在基本都是用vs2019了,直接在vc++6.0上,写完,就可以直接编译,然后执行,windows上的软件确实好用,但也隐藏了好多细节,所以选择在linux上操作,完全是自己手动操作。
选择的编译器是gcc,比较出名的gcc,怎么安装ubuntu虚拟机,怎么安装gcc,这里就不讲了,这个是讲c语言的。
我们可以直接来到代码目录,查看gcc是否安装成功,查看命令,还是老方法gcc -v
看到这么一大推就说明是有了,最后一行,还说明了我的gcc版本是5.4.0,ubuntu版本是16.04。
1.2.2 编译
工具已到位,还等什么呢?直接开始编译,也是我们平时写代码经常用的:
在linux系统中,没有输出就说明是成功的,就直接gcc 源文件,-o是gcc的参数,意思就是生成的输出文件名为hello_world,如果没有指定输出文件名也是可以的,gcc就默认把输出文件名定义成a.out。
1.2.3 运行
上面都编译成功了,我们就接着运行吧。
这篇文章就到这里结束了么?并没有,后面才是好戏,大家集中注意力,重要要上场了。
1.3 分步编译
1.3.1 gcc常用参数
我们先来看看gcc常用的参数
参数 | 含义 |
---|---|
-o file | 指定输出文件名字 |
-E | 只进行预处理 |
-S | 只进行预处理和编译 |
-c | 只进行预处理、编译和汇编 |
我们在编译的时候用的这几个参数,当然gcc的参数很多,这里就不写完了。
1.3.2 编译过程
上面我们说了一下gcc编译的参数,接下来我们简单看一看分步编译的流程。
- 预处理:处理头文件,把头文件包含进来,宏的展开,还有经常用的条件编译;同时把代码注释删除,这里不会检查代码的语法是否错误。(这里对应的是gcc -E)
- 编译:检查代码的语法是否错误,并把预处理的文件编译成汇编文件。(这里对应是gcc -S)
- 汇编:把汇编文件生成目标文件,也就是二进制文件(这里对应-c,可以不用)
- 链接:c语言写的代码也是引用其他库,所以需要把调用其他库的函数链接进来,这样执行的时候才可以执行。
下面是图示:
1.3.3 预处理
接下来就分别对这几个文件进行分析,看看是不是跟我们上面说的一样。(其实不用分析也知道上面说的是对的,哈哈哈)
这个hello_world.i文件比较长,这里就挑一些片段出来:
# 1 "hello_world.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 1 "<command-line>" 2
# 1 "hello_world.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3 4
# 27 "/usr/include/stdio.h" 3 4
# 1 "/usr/include/features.h" 1 3 4
# 367 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 1 3 4
# 410 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/wordsize.h" 1 3 4
# 411 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/cdefs.h" 2 3 4
# 368 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 391 "/usr/include/features.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 1 3 4
# 10 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 3 4
# 1 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs-64.h" 1 3 4
# 11 "/usr/include/x86_64-linux-gnu/gnu/stubs.h" 2 3 4
# 392 "/usr/include/features.h" 2 3 4
# 28 "/usr/include/stdio.h" 2 3 4
// 前面的这些是就是定位那个文件的位置和flags
// # linenum filename [flags]
// 后面的参数的意思:
// 1 这表示新文件的开始。
// 2 这表示返回到一个文件(在包含另一个文件之后)。
// 3 这表明下面的文本来自系统头文件,因此某些警告应该被抑制。
// 4 这表明下面的文本应该被视为包装在隐式extern“C”块中。
// 在预处理文件中看到这一些就明白,是定位头文件的
....
typedef unsigned char __u_char;
typedef unsigned short int __u_short;
typedef unsigned int __u_int;
typedef unsigned long int __u_long;
typedef signed char __int8_t;
typedef unsigned char __uint8_t;
typedef signed short int __int16_t;
typedef unsigned short int __uint16_t;
typedef signed int __int32_t;
typedef unsigned int __uint32_t;
typedef signed long int __int64_t;
typedef unsigned long int __uint64_t;
// 这一段就是c语言自己定义的一些类型
...
extern int fprintf (FILE *__restrict __stream,
const char *__restrict __format, ...);
extern int printf (const char *__restrict __format, ...);
extern int sprintf (char *__restrict __s,
const char *__restrict __format, ...) __attribute__ ((__nothrow__));
// 这一段就是printf函数了,我们的main.c调用了printf函数,为啥能编译通过,就是通过这个头文件去查看到库的
...
# 3 "hello_world.c"
int main(int argc, char **argv)
{
printf("hello world\n");
return 0;
}
// 这一段就比较熟悉了,就是我们的代码了
预处理过后,才发现 stdio.h 竟然包含了这么多东西,还真是强大的c语言啊。
1.3.4 编译
接下来需要把预处理的文件编译成汇编文件:
.file "hello_world.c"
.section .rodata
.LC0:
.string "hello world"
.text
.globl main
.type main, @function
main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
subq $16, %rsp
movl %edi, -4(%rbp)
movq %rsi, -16(%rbp)
movl $.LC0, %edi
call puts
movl $0, %eax
leave
.cfi_def_cfa 7, 8
ret
.cfi_endproc
.LFE0:
.size main, .-main
.ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12) 5.4.0 20160609"
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
汇编文件就看着熟悉了很多,不过这一节就不分析汇编了,留在下一节分析,预处理下节课就不讲了,所以才讲的那么详细。
1.3.5 汇编
这个就直接生成了二进制文件了:
linux的目标文件的格式是.elf,之后可以分析一下这个elf是结构。
1.3.6 链接
链接只要是在多c文件之下,因为每一个c文件都是汇编成.o文件,也就是二进制文件,然后链接器会把多个.o文件链接起来,从而生成一个可执行文件。
粗略看了一下,这个文件确实比汇编的.o差不多,好像是大了不少,可以链接了一些库吧。
说到链接库,才想起,有一个ldd命令,可以查看程序链接了什么库,这样是不是很明显了,这里是链接了动态库,到时候才分析吧。
1.4 总结
没想到一个比较简单的编译链接既然也写了这么多字,问题是出了写这么多字后,还有很多东西,说是留着以后分析,想想头头大,不过都写了,就尽量写好吧,且行且珍惜。
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