Linux ：理解编译的四个阶段

  在Windows的IDE中编写代码时，我们只需要点击按钮就可以完成程序的编译，从而生成可执行文件。但在Linux中，我们需要使用指令来进行程序的编译和运行，因此也就需要来了解一下从代码到可执行文件会经历什么。我们这里以Linux中的gcc编译器为例。

一、了解编译

 什么是编译？

把我们敲的代码变成可执行文件。

 什么是可执行文件？

就是可以直接运行的程序文件。例如Windows中的.exe文件。

 windows中如何编译？

在windows中我们使用IDE进行程序的编译和运行时仅需要鼠标点击几下就可以完成

 Linux中如何编译代码？

在Linux中我们使用的gcc来编译C语言代码，使用g++来编译C++代码，这两个是不可以混用的。

  我们都知道，在程序写好后，需要先进行编译，只有编译通过了，这个程序才可以尝试运行，如果编译都不能通过，谈何运行呢？

  而程序的编译大致分为四部分：

• 预处理（预编译）
• 编译
• 汇编
• 链接

  以上这四个阶段就是一个程序在整个编译阶段会经历的四步操作，接下来就让我们详细看一下这四步操作都在干什么。

二、认识编译的四个阶段

（一）预处理

  假设此时我们写了一个名叫mian.c的程序。这是编译的第一阶段，这个阶段会做什么？

1. 宏替换
2. 去注释
3. 引入头文件

 什么是宏替换？

宏替换：将定义的宏直接用值替换掉

 什么是去注释？

去注释：把文件中所写的注释去掉

 什么是引入头文件？

我们在编写代码的过程中，不可避免地要使用库函数，因此会包含对应的头文件，头文件中存储的是库函数的函数声明。这一步就是把头文件中的包含的函数声明等内容复制到我们写的main.c程序中。这里需要注意，头文件中放的都是函数的声明，并不是定义，函数的定义在库中。也就是说，这里是把头文件中的函数声明搬进来了。

  这个阶段执行完成后，生成的文件本质还是一个C程序，因为它只是引入了一些函数声明，去掉了注释，进行了宏的替换。所以这一步并不会发现我们程序的错误，我们把这个新生成的文件称为 main.i 文件。

（二）编译

  编译阶段编译器会对main.i文件做什么？

1. 语法语义纠错
2. 把mian.i文件转换成汇编代码文件

  首先检查main.i文件中的语法语义有没有错，有错自然就会报错了。如果没有错，就会把我们的mian.i程序解释成汇编指令mian.s文件。

  经过这个阶段，mian.s文件就成为了汇编代码，不再是C代码。

（三）汇编

  汇编阶段会对main.s文件做什么？

• 把汇编指令解释为二进制指令文件mian.o文件

  这一步会将会汇编指令mian.s文件解释成二进制指令文件，也就是电脑能够识别的指令文件。此时的main.o文件就是二进制文件。

（四）链接

  链接阶段会对main.o文件做什么？

• 链接库文件或相关文件，生成可执行文件。

  生成main.o是不够的，此时的它还无法执行。因为我们在预处理阶段引入的仅仅是函数的声明，但是光有声明，没有定义，这也运行不了啊。

  因此在这个阶段，会把main.o文件和存储函数定义的库文件进行链接，让我们的程序运行函数时，可以找到函数的实现。从而生成可执行程序main文件。

  链接方式有两种：静态链接和动态链接，Linux中默认是动态链接。

1.静态链接

  生成可执行程序时，会把函数在库中的实现搬到我们的文件中，这样所有的函数声明和函数定义都在可执行文件中了。

• 好处：运行时不需要依赖库文件，因为函数的定义和声明都被复制到我们的可执行文件中了。
• 坏处：因为我们把函数的定义复制到了可执行文件中，因此生成的可执行程序比较庞大。如果多个程序使用了相同的库函数，那么运行的时候内存中会存在大量冗余代码。

2.动态链接

  如果我们的程序中调用了库函数A，动态链接会把A函数定义在库文件中的位置记录下来，保存到可执行文件中，并不会把函数的具体的实现复制过来。

  当可执行程序运行时，动态库就会被加载到内存中，当可执行文件需要用到哪个函数的话，只需要根据记录在可执行文件中的位置，去内存中的动态库寻找即可。

1. 好处：当多个程序都使用这个库的时候，只需要加载一个到内存中即可。这样代码冗余更小。
2. 坏处：运行程序时，动态库必须存在，不然去哪里找函数的实现。

三、分步编译

• gcc -E main.c -o main.i：将main.c文件预处理成main.i文件
• gcc -S main.i -o main.s：将main.i文件编译为汇编文件main.s
• gcc -c main.s -o main.o：将main.s文件经过汇编处理，生成main.o文件
• gcc mian.o -o mian：将main.o文件与库文件链接，生成可执行文件main

（一）创建.c文件

 注意：这里的-o是指定生成的文件名称。

（二）预处理

gcc -E main.c -o main.i

（三）编译

gcc -S main.i -o main.s

（四）汇编

gcc -c main.s -o main.o

（五）链接

gcc mian.o -o mian

（六）运行

四、合并编译

  按照上面的分步编译虽然可以达到我们的预期目标，但是比较麻烦，毕竟敲那么多指令也比较费事，因此推荐采用下面这样的合并编译。

• gcc -E main.c -o main.i：将main.c文件处理到预处理阶段完毕
• gcc -S main.c -o main.s：将main.c文件处理到编译阶段完毕
• gcc -c main.c -o main.o：将main.c文件处理到汇编阶段完毕
• gcc mian.c -o mian：将main.c文件处理到链接阶段完毕。

  上面这些指令可以提高我们的效率，因此通常直接使用第四条指令一步到位。