【编译器原理】编译器的工作过程

xiaoxiao2021-02-28  7

【参考原文】编译器的工作过程 作者: 阮一峰 日期: 2014年11月11日

基本概念

源码要运行,必须先转成二进制的机器码。这是编译器的任务。 比如,下面这段源码(假定文件名叫做test.c)。

#include <stdio.h> int main(void) { fputs("Hello, world!\n", stdout); return 0; }

要先用编译器处理一下,才能运行。

$ gcc test.c $ ./a.out Hello, world!

对于复杂的项目,编译过程还必须分成三步。

$ ./configure $ make $ make install

这些命令到底在干什么?大多数的书籍和资料,都语焉不详,只说这样就可以编译了,没有进一步的解释。 本文将介绍编译器的工作过程,也就是上面这三个命令各自的任务。我主要参考了Alex Smith的文章《Building C Projects》。需要声明的是,本文主要针对gcc编译器,也就是针对C和C++,不一定适用于其他语言的编译。

第一步 配置(configure)

编译器在开始工作之前,需要知道当前的系统环境,比如标准库在哪里、软件的安装位置在哪里、需要安装哪些组件等等。这是因为不同计算机的系统环境不一样,通过指定编译参数,编译器就可以灵活适应环境,编译出各种环境都能运行的机器码。这个确定编译参数的步骤,就叫做”配置”(configure)。 这些配置信息保存在一个配置文件之中,约定俗成是一个叫做configure的脚本文件。通常它是由autoconf工具生成的。编译器通过运行这个脚本,获知编译参数。 configure脚本已经尽量考虑到不同系统的差异,并且对各种编译参数给出了默认值。如果用户的系统环境比较特别,或者有一些特定的需求,就需要手动向configure脚本提供编译参数

$ ./configure --prefix=/www --with-mysql

上面代码是php源码的一种编译配置,用户指定安装后的文件保存在www目录,并且编译时加入mysql模块的支持。

第二步 确定标准库和头文件的位置

源码肯定会用到标准库函数(standard library)和头文件(header)。它们可以存放在系统的任意目录中,编译器实际上没办法自动检测它们的位置,只有通过配置文件才能知道。 编译的第二步,就是从配置文件中知道标准库和头文件的位置。一般来说,配置文件会给出一个清单,列出几个具体的目录。等到编译时,编译器就按顺序到这几个目录中,寻找目标。

第三步 确定依赖关系

对于大型项目来说,源码文件之间往往存在依赖关系,编译器需要确定编译的先后顺序。假定A文件依赖于B文件,编译器应该保证做到下面两点。

1)只有在B文件编译完成后,才开始编译A文件。 (2)当B文件发生变化时,A文件会被重新编译。

编译顺序保存在一个叫做makefile的文件中,里面列出哪个文件先编译,哪个文件后编译。而makefile文件由configure脚本运行生成,这就是为什么编译时configure必须首先运行的原因。 在确定依赖关系的同时,编译器也确定了,编译时会用到哪些头文件。

第四步 头文件的预编译(precompilation)

不同的源码文件,可能引用同一个头文件(比如stdio.h)。编译的时候,头文件也必须一起编译。为了节省时间,编译器会在编译源码之前,先编译头文件。这保证了头文件只需编译一次,不必每次用到的时候,都重新编译了。 不过,并不是头文件的所有内容,都会被预编译。用来声明宏的#define命令,就不会被预编译。

第五步 预处理(Preprocessing)

预编译完成后,编译器就开始替换掉源码中bash的头文件和宏。以本文开头的那段源码为例,它包含头文件stdio.h,替换后的样子如下。

extern int fputs(const char *, FILE *); extern FILE *stdout; int main(void) { fputs("Hello, world!\n", stdout); return 0; }

为了便于阅读,上面代码只截取了头文件中与源码相关的那部分,即fputs和FILE的声明,省略了stdio.h的其他部分(因为它们非常长)。另外,上面代码的头文件没有经过预编译,而实际上,插入源码的是预编译后的结果。编译器在这一步还会移除注释。 这一步称为”预处理”(Preprocessing),因为完成之后,就要开始真正的处理了。

第六步 编译(Compilation)

预处理之后,编译器就开始生成机器码。对于某些编译器来说,还存在一个中间步骤,会先把源码转为汇编码(assembly),然后再把汇编码转为机器码。 下面是本文开头的那段源码转成的汇编码。

.file "test.c" .section .rodata .LC0: .string "Hello, world!\n" .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 movq stdout(%rip), %rax movq %rax, %rcx movl $14,
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