大家肯定都知道計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言通常分為機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三類。高級語言需要通過翻譯成機(jī)器語言才能執(zhí)行,而翻譯的方式分為兩種,一種是編譯型,另一種是解釋型,因此我們基本上將高級語言分為兩大類,一種是編譯型語言,例如C,C++,Java,另一種是解釋型語言,例如Python、Ruby、MATLAB 、JavaScript。
本文將介紹如何將高層的C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程,包括四個步驟:
預(yù)處理(Preprocessing)
編譯(Compilation)
匯編(Assembly)
鏈接(Linking)
GCC 工具鏈介紹
通常所說的GCC是GUN Compiler Collection的簡稱,是Linux系統(tǒng)上常用的編譯工具。GCC工具鏈軟件包括GCC、Binutils、C運(yùn)行庫等。
GCC
GCC(GNU C Compiler)是編譯工具。本文所要介紹的將C/C++語言編寫的程序轉(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程即由編譯器完成。
Binutils
一組二進(jìn)制程序處理工具,包括:addr2line、ar、objcopy、objdump、as、ld、ldd、readelf、size等。這一組工具是開發(fā)和調(diào)試不可缺少的工具,分別簡介如下:
addr2line:用來將程序地址轉(zhuǎn)換成其所對應(yīng)的程序源文件及所對應(yīng)的代碼行,也可以得到所對應(yīng)的函數(shù)。該工具將幫助調(diào)試器在調(diào)試的過程中定位對應(yīng)的源代碼位置。
as:主要用于匯編,有關(guān)匯編的詳細(xì)介紹請參見后文。
ld:主要用于鏈接,有關(guān)鏈接的詳細(xì)介紹請參見后文。
ar:主要用于創(chuàng)建靜態(tài)庫。為了便于初學(xué)者理解,在此介紹動態(tài)庫與靜態(tài)庫的概念:
如果要將多個.o目標(biāo)文件生成一個庫文件,則存在兩種類型的庫,一種是靜態(tài)庫,另一種是動態(tài)庫。
在windows中靜態(tài)庫是以 .lib 為后綴的文件,共享庫是以 .dll 為后綴的文件。在linux中靜態(tài)庫是以.a為后綴的文件,共享庫是以.so為后綴的文件。
靜態(tài)庫和動態(tài)庫的不同點(diǎn)在于代碼被載入的時刻不同。靜態(tài)庫的代碼在編譯過程中已經(jīng)被載入可執(zhí)行程序,因此體積較大。共享庫的代碼是在可執(zhí)行程序運(yùn)行時才載入內(nèi)存的,在編譯過程中僅簡單的引用,因此代碼體積較小。在Linux系統(tǒng)中,可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
如果一個系統(tǒng)中存在多個需要同時運(yùn)行的程序且這些程序之間存在共享庫,那么采用動態(tài)庫的形式將更節(jié)省內(nèi)存。
ldd:可以用于查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
objcopy:將一種對象文件翻譯成另一種格式,譬如將.bin轉(zhuǎn)換成.elf、或者將.elf轉(zhuǎn)換成.bin等。
objdump:主要的作用是反匯編。有關(guān)反匯編的詳細(xì)介紹,請參見后文。
readelf:顯示有關(guān)ELF文件的信息,請參見后文了解更多信息。
size:列出可執(zhí)行文件每個部分的尺寸和總尺寸,代碼段、數(shù)據(jù)段、總大小等,請參見后文了解使用size的具體使用實(shí)例。
C運(yùn)行庫
C語言標(biāo)準(zhǔn)主要由兩部分組成:一部分描述C的語法,另一部分描述C標(biāo)準(zhǔn)庫。C標(biāo)準(zhǔn)庫定義了一組標(biāo)準(zhǔn)頭文件,每個頭文件中包含一些相關(guān)的函數(shù)、變量、類型聲明和宏定義,譬如常見的printf函數(shù)便是一個C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù),其原型定義在stdio頭文件中。
C語言標(biāo)準(zhǔn)僅僅定義了C標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)原型,并沒有提供實(shí)現(xiàn)。因此,C語言編譯器通常需要一個C運(yùn)行時庫(C Run Time Libray,CRT)的支持。C運(yùn)行時庫又常簡稱為C運(yùn)行庫。與C語言類似,C++也定義了自己的標(biāo)準(zhǔn),同時提供相關(guān)支持庫,稱為C++運(yùn)行時庫。
準(zhǔn)備工作
由于GCC工具鏈主要是在Linux環(huán)境中進(jìn)行使用,因此本文也將以Linux系統(tǒng)作為工作環(huán)境。為了能夠演示編譯的整個過程,本節(jié)先準(zhǔn)備一個C語言編寫的簡單Hello程序作為示例,其源代碼如下所示:
編譯過程
1.預(yù)處理
預(yù)處理的過程主要包括以下過程:
將所有的#define刪除,并且展開所有的宏定義,并且處理所有的條件預(yù)編譯指令,比如#if #ifdef #elif #else #endif等。
處理#include預(yù)編譯指令,將被包含的文件插入到該預(yù)編譯指令的位置。
刪除所有注釋“//”和“/* */”。
添加行號和文件標(biāo)識,以便編譯時產(chǎn)生調(diào)試用的行號及編譯錯誤警告行號。
保留所有的#pragma編譯器指令,后續(xù)編譯過程需要使用它們。使用gcc進(jìn)行預(yù)處理的命令如下:
hello.i文件可以作為普通文本文件打開進(jìn)行查看,其代碼片段如下所示:
2.編譯
編譯過程就是對預(yù)處理完的文件進(jìn)行一系列的詞法分析,語法分析,語義分析及優(yōu)化后生成相應(yīng)的匯編代碼。
使用gcc進(jìn)行編譯的命令如下:
上述命令生成的匯編程序hello.s的代碼片段如下所示,其全部為匯編代碼。
3.匯編
匯編過程調(diào)用對匯編代碼進(jìn)行處理,生成處理器能識別的指令,保存在后綴為.o的目標(biāo)文件中。由于每一個匯編語句幾乎都對應(yīng)一條處理器指令,因此,匯編相對于編譯過程比較簡單,通過調(diào)用Binutils中的匯編器as根據(jù)匯編指令和處理器指令的對照表一一翻譯即可。
當(dāng)程序由多個源代碼文件構(gòu)成時,每個文件都要先完成匯編工作,生成.o目標(biāo)文件后,才能進(jìn)入下一步的鏈接工作。注意:目標(biāo)文件已經(jīng)是最終程序的某一部分了,但是在鏈接之前還不能執(zhí)行。
使用gcc進(jìn)行匯編的命令如下:
注意:hello.o目標(biāo)文件為ELF(Executable and Linkable Format)格式的可重定向文件。
4.鏈接
鏈接也分為靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接,其要點(diǎn)如下:
靜態(tài)鏈接是指在編譯階段直接把靜態(tài)庫加入到可執(zhí)行文件中去,這樣可執(zhí)行文件會比較大。鏈接器將函數(shù)的代碼從其所在地(不同的目標(biāo)文件或靜態(tài)鏈接庫中)拷貝到最終的可執(zhí)行程序中。為創(chuàng)建可執(zhí)行文件,鏈接器必須要完成的主要任務(wù)是:符號解析(把目標(biāo)文件中符號的定義和引用聯(lián)系起來)和重定位(把符號定義和內(nèi)存地址對應(yīng)起來然后修改所有對符號的引用)。
動態(tài)鏈接則是指鏈接階段僅僅只加入一些描述信息,而程序執(zhí)行時再從系統(tǒng)中把相應(yīng)動態(tài)庫加載到內(nèi)存中去。
在Linux系統(tǒng)中,gcc編譯鏈接時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為:首先從gcc命令的參數(shù)-L指定的路徑尋找;再從環(huán)境變量LIBRARY_PATH指定的路徑尋址;再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib、/usr/local/lib尋找。
在Linux系統(tǒng)中,執(zhí)行二進(jìn)制文件時的動態(tài)庫搜索路徑的順序通常為:首先搜索編譯目標(biāo)代碼時指定的動態(tài)庫搜索路徑;再從環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑尋址;再從配置文件/etc/ld.so.conf中指定的動態(tài)庫搜索路徑;再從默認(rèn)路徑/lib、/usr/lib尋找。
在Linux系統(tǒng)中,可以用ldd命令查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫。
由于鏈接動態(tài)庫和靜態(tài)庫的路徑可能有重合,所以如果在路徑中有同名的靜態(tài)庫文件和動態(tài)庫文件,比如libtest.a和libtest.so,gcc鏈接時默認(rèn)優(yōu)先選擇動態(tài)庫,會鏈接libtest.so,如果要讓gcc選擇鏈接libtest.a則可以指定gcc選項(xiàng)-static,該選項(xiàng)會強(qiáng)制使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接。以Hello World為例:
如果使用命令“gcc hello.c -o hello”則會使用動態(tài)庫進(jìn)行鏈接,生成的ELF可執(zhí)行文件的大小(使用Binutils的size命令查看)和鏈接的動態(tài)庫(使用Binutils的ldd命令查看)如下所示:
如果使用命令“gcc -static hello.c -o hello”則會使用靜態(tài)庫進(jìn)行鏈接,生成的ELF可執(zhí)行文件的大?。ㄊ褂肂inutils的size命令查看)和鏈接的動態(tài)庫(使用Binutils的ldd命令查看)如下所示:
鏈接器鏈接后生成的最終文件為ELF格式可執(zhí)行文件,一個ELF可執(zhí)行文件通常被鏈接為不同的段,常見的段譬如.text、.data、.rodata、.bss等段。
分析ELF文件
1.ELF文件的段
ELF文件格式如下圖所示,位于ELF Header和Section Header Table之間的都是段(Section)。一個典型的ELF文件包含下面幾個段:
.text:已編譯程序的指令代碼段。
.rodata:ro代表read only,即只讀數(shù)據(jù)(譬如常數(shù)const)。
.data:已初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.bss:未初始化的C程序全局變量和靜態(tài)局部變量。
.debug:調(diào)試符號表,調(diào)試器用此段的信息幫助調(diào)試。
可以使用readelf -S查看其各個section的信息如下:
2.反匯編ELF
由于ELF文件無法被當(dāng)做普通文本文件打開,如果希望直接查看一個ELF文件包含的指令和數(shù)據(jù),需要使用反匯編的方法。
當(dāng)前文章:Linux 程序編譯過程的來龍去脈
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