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make程序编译工具及编译链接安装运行过程

make编译过程

make 的功能如下:
1. 可自动完成编译工作,并且可只对上次编译后修改过的部分进行编译。
2. 使用make和makefile工具就可以简洁明快地理顺各个源文件间相互依赖关系,管理包括上百个源文件大型应用程序。
3. 提高项目开发效率(如此多的源文件键入gcc命令进行编译的话,对程序员就是一场灾难。)

程序整个编译流程

程序的整个编译流程主要分为以下几个阶段:预处理、编译、汇编、链接。
整个代码的编译过程分为编译和链接两个过程,编译对应图中的大括号括起的部分,其余则为链接过程。

编译的过程分成两个阶段,编译和汇编.
编译过程就上面的四个过程:预编译、编译、汇编、链接。

最后生成的可执行文件a.out是目标文件(object file).目标文件一般可分为三种:
1. 可重定位的目标文件(relocatable files)
2. 可执行的目标文件(executable files)
3. 可被共享的目标文件(shared object files)

编译

编译是读取源程序(字符流),对之进行词法和语法的分析,将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码,源文件的编译过程包含两个主要阶段
1. 预处理
2. 编译

预处理

正式的编译阶段之前进行。预处理阶段将根据已放置在文件中的预处理指令来修改源文件的内容。

在许多情况下,可以把用于不同环境的代码放在同一个文件中,再在预处理阶段修改代码,使之适应当前的环境。 

预处理主要包含下面几个操作
1. 头文件展开: 将#include 包含的头文件内容展开到当前位置。
2. 宏展开: 展开所有的宏定义, 并删除#define
3. 条件编译:根据宏定义条件,选择要参与编译的分支代码,其余的分支丢弃。 
4. 删除注释
5. 添加行号和文件名标识: 编译过程中根据需要显示这些信息。 
6. 保留#progma 命令:该命令会在程序编译时指示编译器执行的一些特殊行为。 

预处理的几个方面:

  1. 宏定义指令,如#define a b

    预编译所要做的是将程序中的所有a用b替换,但作为字符串常量的 a则不被替换。还有 #undef,则将取消对某个宏的定义,使以后该串的出现不再被替换

  2. 条件编译指令,如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif等

    程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。预编译程序将根据有关的文件,将那些不必要的代码过滤掉。

  3. 头文件包含指令,如#include “FileName”或者#include <FileName>等。

    伪指令#define定义了大量的宏(最常见的是字符常量),同时包含有各种外部符号的声明。采用头文件的目的主要是为了使某些定义可以供多个不同的C源程序使用。因为在需要用到这些定义的C源程序中,只需加上一条#include语句即可,而不必再在此文件中将这些定义重复一遍。预编译程序将把头文件中的定义统统都加入到它所产生的输出文件中,以供编译程序对之进行处理。包含到c源程序中的头文件可以是系统提供的,这些头文件一般被放在 /usr/include目录下。在程序中#include它们要使用尖括号(< >)。另外开发人员也可以定义自己的头文件,这些文件一般与c源程序放在同一目录下,此时在#include中要用双引号(””)。

  4. 特殊符号,预编译程序可以识别一些特殊的符号。

    源程序中出现的LINE标识将被解释为当前行号(十进制数)
    FILE则被解释为当前被编译的C源程序的名称。

  5. #pragma 预处理命令可以设定编译器状态,指示编译器完成一些特定的动作。 

    #progma pack([n]):指示结构体和联合成员的对齐方式。 
    #pragma message("string"): 在编译信息输出窗口打印自己的文本信息。
    #pragma warning: 有选择地改变编译器的警告信息行为。
    #pragma once: 在头文件中添加这条指令,可以防止头文件多次编译。

编译,优化阶段

经过预编译得到的输出文件中,就是原汁原味的C语言了,只有常量;如数字、字符串、变量的定义,以及c语言的关键字,如main,if,else,for,while,{,}, +,-,*,等等。

编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析,在确认所有的指令都符合语法规则之后,将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。

优化处理是编译系统中一项比较艰深的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关,而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。

  • 对于前一种优化,主要的工作是删除公共表达式、循环优化(代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等)、复写传播,以及无用赋值的删除,等等。
  • 后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关,最主要的是考虑是如何充分利用机器的各个硬件寄存器存放的有关变量的值,以减少对于内存的访问次数。另外,如何根据机器硬件执行指令的特点(如流水线、RISC、CISC、VLIW等)而对指令进行一些调整使目标代码比较短,执行的效率比较高,也是一个重要的研究课题。

编译过程可以分为六步骤

汇编

汇编实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。对于被翻译系统处理的每一个C语言源程序,都将最终经过这一处理而得到相应的目标文件。目标文件中所存放的也就是与源程序等效的目标的机器语言代码。目标文件由段组成。通常一个目标文件中至少有两个段:代码段和数据段

  • 连接器将各个目标文件组装在一起后,我们需要重新修改各个目标文件中的变量或函数的地址。这个过程叫做重定位
  • 一个项目中有许多的目标文件,连接器如何知道那些函数或变量需要重定位呢?很简单,我们把需要重定位的符号收集起来,生成一个重定位表,以section的形式保存到每个可重定位目标文件中就可以了。 
代码段

该段中所包含的主要是程序的指令。
该段一般是可读和可执行的,但一般却不可写

数据段

主要存放程序中要用到的各种全局变量或静态的数据。一般数据段都是可读,可写,可执行的。

链接

链接主要分为3个过程如下所示:

  • 除了代码段,数据段的分段组装,我们还需要注意下:符号表

    链接器会在可执行文件中创建一个全局的符号表,收集各个目标文件符号表中的符号,然后将其统一放到全局标号表中。 
    通过这步操作,一个可执行文件中的所有符号都有了自己的地址,并保存到全局符号中,但此时全局符号表中的地址还都是原来在各个目标文件中的地址,即相对于零地址的偏移。

  • 程序被加载到内存运行,那么要加载到内存什么地方运行呢? 

    链接脚本中定义了各个段的起始地址。

  • 查看连接器使用的默认链接脚本

    arm-linux-gnueabi-ld --verbose
    嵌入式需要根据不同的硬件配置、内存大小和地址,灵活制定链接地址。或显示制定链接脚本。
    U-boot: 源码编译使用的链接脚本:U-boot.lds一般放在源码的顶层目录。
    Linux 内核使用的链接脚本vmlinux.lds, 一般放在arch/arm/boot/compressed/目录下面。
    不同的编译器、不同的操作系统、链接脚本的文件名后缀一般也不一样。 
    不同的编译器默认的链接地址也是不一样的。 

由汇编程序生成的目标文件并不能立即就被执行,其中可能还有许多没有解决的问题。

例如,某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号(如变量或者函数调用等);在程序中可能调用了某个库文件中的函数,等等。所有的这些问题,都需要经链接程序的处理方能得以解决。

链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接,也即将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来,使得所有的这些目标文件成为一个能够诶操作系统装入执行的统一整体。

根据开发人员指定的同库函数的链接方式的不同,链接处理可分为两种:
1. 静态链接

在这种链接方式下,函数的代码将从其所在地静态链接库中被拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合,其中的每个文件含有库中的一个或者一组相关函数的代码。

  1. 动态链接
    > 在此种方式下,函数的代码被放到称作是动态链接库或共享对象的某个目标文件中。链接程序此时所作的只是在最终的可执行程序中记录下共享对象的名字以及其它少量的登记信息。在此可执行文件被执行时,动态链接库的全部内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。

对于可执行文件中的函数调用,可分别采用动态链接或静态链接的方法。使用动态链接能够使最终的可执行文件比较短小,并且当共享对象被多个进程使用时能节约一些内存,因为在内存中只需要保存一份此共享对象的代码。但并不是使用动态链接就一定比使用静态链接要优越。在某些情况下动态链接可能带来一些性能上损害。

符号决议

开发人员在实现各自模块的编程中,可能会产生一个问题:位于不同模块或不同文件中的全局变量、函数名可能存在重名冲突。 
链接器有专门的符号决议规则来解决这种符号冲突。 
– 一山不容二虎
– 强弱可以共存

虎指强符号,编译器为了解决这种冲突,引入了强符号和若符号的概念。
– 函数名、初始化的全局变量是强符号。
– 未初始化的全局变量是弱符号。

 在一个多文件的工程中,强符号不允许多次定义,否则就会发生重定义错误。
强弱符号可以共存,当强弱符号共存时,强符号会覆盖掉若符号,链接器会选择强符号作为可执行文件中的最终符号。
链接器也允许一个项目中存在多个若符号,程序编译期间,未初始化的全局变量并没有被直接放置到BSS 段中,而是将这些符号放到一个叫做common的临时块中,在符号表中使用一个未定义的COMMON来标记,在目标文件中也没有给他们分配存储空间。在链接期间,连接器会比较多个文件中的弱符号,选择占用空间最大的那个,作为可执行文件中的最终符号,此时弱符号的大小已经确定,并被直接放到了可执行文件的BSS段中。 

项目中有特殊需求,我们也可以将一些强符号显示转化为若符号
GNU C 编译器在ANSI C 语法标准的基础上扩展了一系列C语言语法,如提供了attribute关键字用来声明符号的属性。通过下面的命令,我们可以将一个强符号转化为若符号。

__attribute__((weak)) int n = 100;
__attribute__((weak)) void fun();

强引用和弱应用
我们通过符号去滴啊用一个函数或者访问一个变量,通常称之为引用(Reference)。强符号成为强引用,弱符号称为弱引用。

在模块实现的过程中,我们可以将提供给用户的一系列API函数声明为若符号,这样做有两个好处:一是当我们对库中某些API函数的实现不是很满意,或者这些API存在bug,我们有更好的实现时,可以自定义与库函数同名的函数,直接调用它们而不会发生冲突。二是在库的实现过程中,我们可以将某些扩展功能模块中还未完成的一些API定义为若引用。应用函数在调用这些API之前,要先判断该函数是否实现,然后才调用运行。这样做的好处是就是未来发布心版本库时,无论这些接口是否已经实现,或者已经删除,都不会影响应用程序的正常链接和运行。

Linux GCC 编译器

Linux使用的gcc编译器便是把以上的几个过程进行捆绑,使用户只使用一次命令就把编译工作完成,这的确方便了编译工作,但对于初学者了解编译过程就很不利了,下图便是gcc代理的编译过程:

从上图可以看到:

1.预编译

将.c 文件转化成 .i文件
使用的gcc命令是:gcc –E
对应于预处理命令cpp

2. 编译

将.c/.h文件转换成.s文件
使用的gcc命令是:gcc –S
对应于编译命令 cc –S

3. 汇编

将.s 文件转化成 .o文件
使用的gcc 命令是:gcc –c
对应于汇编命令是 as

4. 链接

将.o文件转化成可执行程序
使用的gcc 命令是: gcc
对应于链接命令是 ld

交叉编译器

“交叉编译器”cross compiler,用作跨平台来编译程序。有三个概念要弄清楚:

  • build – 你在什么平台上编译这个编辑器
  • host 这个编译器将来要在什么平台上运行
  • target 编译器最终会生成在哪个平台上的可执行代码。

编译工具make、gmake、cmake、nmake和Dmake的区别

gmake -GNU make

gmake是GNU Make的缩写.Linux系统环境下的make就是GNU Make

cmake

(cmake) 是延续并改良传统 automake, autoconf 工具链,将之合为一体,但最终仍然生成 Makefile, Visual Studio 的 .sln,Xcode 的 .xcodebuild 文件,依赖现有编译工具 (make, nmake, vcbuild, xcodebuild) 来编译.
      CMake 是个开源的跨平台自动化建构系统,它用组态档控制建构过程(build process)的方式和 Unix 的 Make 相似,只是 CMake 的组态档取名为 CmakeLists.txt。Cmake 并不直接建构出最终的软件,而是产生标准的建构档(如 Unix 的 Makefile 或 Windows Visual C++ 的 projects/workspaces),然后再依一般的建构方式使用。这使得熟悉某个集成开发环境(IDE)的开发者可以用标准的方式建构他的软件,这种可以使用各平台的原生建构系统的能力是 CMake 和 SCons 等其他类似系统的区别之处。CMake 可以编译源代码、制做程式库、产生适配器(wrapper)、还可以用任意的顺序建构执行档。

Q&A

嵌入式开发和桌面开发的差别?

- 嵌入式开发跟桌面开发相比: 嵌入式处理器平台和软件生态碎片化、多样化。
- 为了提高性价比,不同的嵌入式系统往往采取更加灵活的配置:
    - 不同的CPU平台
    - 不同大小的存储
    - 存储器的地址空间
    - 代码烧写的地方
    - 代码加载的地方
    - 程序怎么执行

这些就要求工程师必须了解在程序运行的背后,它们是如何编译、链接、和运行的。 有了这些理论的支持,我们才可能灵活地根据硬件平台的差异去完成软件层面的编译优化和配置。


编译原理方便的参考书籍?

有名的是下面三个:
1. 龙书(Dragon book)
英文名:Compilers: Principles,Techniques,and Tools
作者:Alfred V.Aho,Ravi Sethi,Jeffrey D.Ullman
中文名:编译原理技术和工具
2. 虎书(Tiger book)
英文名:Modern Compiler Implementation in C
作者:Andrew W.Appel,with Jens Palsberg
中文名:现代编译原理-C语言描述
3. 鲸书(Whale book)
英文名:Advanced Compiler Design and Implementation
作者:Steven S.Muchnick
中文名:高级编译器设计与实现

参考

  1. https://blog.csdn.net/lionhenryzxxy/article/details/58585716?locationNum=1&fps=1 编译工具make、gmake、cmake、nmake和Dmake的区别
  2. cmake http://www.cmake.org/
  3. 一个C程序(源代码)是如何运行在硬件上的?https://m.sohu.com/a/286844582_505886

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