参考书目：《嵌入式C语言自我修养》，王利涛编著。

（一）gcc编译器编译选项

常用的gcc编译选项如下：

-E 对.c程序预处理，生成.i文件
-S 对.c程序进行汇编，生成.s文件
-c 只生成目标文件(.o)，不进行链接
-o 生成可执行文件（.out)

-g 生成带调试信息的debug文件
-O2/O3/O1/Ofast 开始编译优化选项，设置对应的编译优化等级（一般使用O2,Ofast包含O3全部的优化选项，并且不严格遵守语言标准）

-I（大写的i） 指定头文件路径
-l（小写的L） 指定使用的函数库
-L 指定函数库的路径

（二）可执行文件的内部结构

一个可执行文件通常由不同的段（section）构成：代码段、数据段、BSS段、只读数据段等。

• 代码段：函数翻译成二进制指令放在代码段中。

• 数据段：初始化的全局变量经过编译后放在数据段中。

• BSS段：一般来讲，未初始化的全局变量和静态变量会放置在BSS段中。（由于未初始化，默认全为0，没必须单独开辟存储空间，因此在可执行文件中BSS段是不占用空间的。）

（三）程序编译和链接流程

gcc对一个程序的编译链接流程如下图所示：

预处理阶段

预处理主要包括以下操作：

• 头文件展开：将#include包含的头文件内容展开到当前位置

• 宏展开：展开所有宏定义，并删除#define

• 条件编译：根据宏定义的条件，选择要参与编译的分支代码，其余的分支丢弃

• 删除注释

• 添加行号和文件名标识：编译过程中根据需要可以显示这些信息

  printf("line number : %d   file: %s\n\r", __LINE__, __FILE__);

• 保留#pragma命令：该命令会在程序编译时指示编译器执行一些特定行为，如自己在程序中添加编译提示信息，则编译器在编译此文件时会在窗口输出编译提示信息。

  #pragma message("build helloworld.c...\n\r")

编译阶段

编译阶段主要分为两步：

• 第一步，编译器调用一系列解析工具，将C源文件编译为汇编文件；
• 第二步，通过汇编器将汇编文件汇编成可重定位的目标文件

编译过程

编译过程可以分为6步：

• 词法分析

  主要对c语言语句进行分析，通过词法扫描器从左到右，按字符读入源程序，将源程序分解为不能分解的记号单元——token。常见的token如下：

  • C语言关键字，如：int、float等
  • 用户定义的各种标识符，如函数名、变量名等
  • 字面量：数字、字符串等
  • 运算符：C语言标准定义的40多个运算符。
  • 分隔符：分号、逗号等。

• 语法分析

  对上一阶段的token序列进行解析，分解为一个语法上正确的语法树。例如语句sum = a + b / c 可以分解成如下图的语法树。语法分析仅对程序做语法检查，对程序、语句的真正意义并不了解。

• 语义分析

  语义分析主要对语法分析输出的各种表达式、语句进行检查。

• 生成中间代码

  在语法分析阶段输出的表达式或程序语句，还是以语法树的形式存储，需要将其转换为中间代码。

• 汇编代码生成

  中间代码一般和平台无关。如果在X86平台或ARM平台上运行，则根据不同的指令集，编译器将中间代码翻译成不同平台的汇编程序。

• 目标代码生成

汇编过程

汇编过程是使用汇编器将前一阶段生成的汇编文件翻译成目标文件（.o）。

*.o文件是不可执行的，属于可重定位的目标文件，即以零地址为链接起始地址进行链接的。可以使用 readelf -S 命令来观察可重定位目标文件的地址。在每个可重定位目标文件中，函数或变量的地址就是它们在文件中相对于零地址的偏移。

链接器将各个目标文件组装在一起后，重新修改各个目标文件中的变量或函数的地址，这个过程一般称为重定位。

链接过程中会生成符号表和重定位表，可以使用readelf -s命令来查看某个.o文件的符号表信息。重定位表使用readelf -S查看，某个.o文件中.rel.text部分就是重定位表。

链接阶段

链接阶段主要分为三个过程：分段组装、符号决议和重定位。

分段组装

将各个可重定位目标文件重新分解组装：将各个目标文件的代码段放在一起，数据段放在一起，其他section组装方法同样。

同时收集各个目标文件符号表中的符号，创建全局符号表。

符号决议

为了解决位于不同模块或不同文件中函数名、全局变量名可能重名冲突的情况。

强符号：函数名、初始化的全局变量。

弱符号：未初始化的全局变量。

决议规则：

• 不允许强符号多次定义。
• 强符号和弱符号可以共存，共存时强符号会覆盖弱符号。
• 允许多个弱符号共存。

重定位

各个目标文件中有一个重定位表，专门记录各个文件中需要重定位的符号。重定位的核心工作就是修正指令中的符号地址，是链接过程中最后、最核心、最重要的一步。

链接器读取各个目标文件中的重定位表，根据这些符号在可执行文件中的新地址，进行符号重定位，修改指令代码中引用这些符号的地址。

至此，整个编译链接流程结束，最终生成可执行目标文件（.out）。