Хабрахабр

[Из песочницы] Процесс компиляции программ на C++

Цель данной статьи:

Я не преследую цель рассказать обо всем подробно в деталях, а только дать общее видение. В данной статье я хочу рассказать о том, как происходит компиляция программ, написанных на языке C++, и описать каждый этап компиляции. Также данная статья — это необходимое введение перед следующей статьей про статические и динамические библиотеки, так как процесс компиляции крайне важен для понимания перед дальнейшим повествованием о библиотеках.

04.
Используя компилятор g++ версии: Все действия будут производиться на Ubuntu версии 16.

$ g++ --version
g++ (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609

Состав компилятора g++

  • cpp — препроцессор
  • as — ассемблер
  • g++ — сам компилятор
  • ld — линкер

Мы не будем вызывать данные компоненты напрямую, так как для того, чтобы работать с C++ кодом, требуются дополнительные библиотеки, позволив все необходимые подгрузки делать основному компоненту компилятора — g++.

Зачем нужно компилировать исходные файлы?

Поэтому каждый исходный файл требуется скомпилировать в исполняемый файл, динамическую или статическую библиотеки (данные библиотеки будут рассмотрены в следующей статье). Исходный C++ файл — это всего лишь код, но его невозможно запустить как программу или использовать как библиотеку.

Этапы компиляции:

Перед тем, как приступать, давайте создадим исходный .cpp файл, с которым и будем работать в дальнейшем.

driver.cpp:

#include <iostream>
using namespace std;
#define RETURN return 0 int main() { cout << "Hello, world!" << endl; RETURN;
}

1) Препроцессинг

Самая первая стадия компиляции программы.

На данной стадии происходит происходит работа с препроцессорными директивами. Препроцессор — это макро процессор, который преобразовывает вашу программу для дальнейшего компилирования. Однако, каждый хэдер может быть открыт во время препроцессинга несколько раз, поэтому, обычно, используются специальные препроцессорные директивы, предохраняющие от циклической зависимости. Например, препроцессор добавляет хэдеры в код (#include), убирает комментирования, заменяет макросы (#define) их значениями, выбирает нужные куски кода в соответствии с условиями #if, #ifdef и #ifndef.
Хэдеры, включенные в программу с помощью директивы #include, рекурсивно проходят стадию препроцессинга и включаются в выпускаемый файл.

Получим препроцессированный код в выходной файл driver.ii (прошедшие через стадию препроцессинга C++ файлы имеют расширение .ii), используя флаг -E, который сообщает компилятору, что компилировать (об этом далее) файл не нужно, а только провести его препроцессинг:

g++ -E driver.cpp -o driver.ii

Взглянув на тело функции main в новом сгенерированном файле, можно заметить, что макрос RETURN был заменен:

int main() { cout << "Hello, world!" << endl; return 0;
}

driver.ii

В новом сгенерированном файле также можно увидеть огромное количество новых строк, это различные библиотеки и хэдер iostream.

2) Компиляция

Это промежуточный шаг между высокоуровневым языком и машинным (бинарным) кодом. На данном шаге g++ выполняет свою главную задачу — компилирует, то есть преобразует полученный на прошлом шаге код без директив в ассемблерный код.

Ассемблерный код — это доступное для понимания человеком представление машинного кода.

Используя флаг -S, который сообщает компилятору остановиться после стадии компиляции, получим ассемблерный код в выходном файле driver.s:

$ g++ -S driver.ii -o driver.s

driver.s

.file "driver.cpp" .local _ZStL8__ioinit .comm _ZStL8__ioinit,1,1 .section .rodata
.LC0: .string "Hello, world!" .text .globl main .type main, @function
main:
.LFB1021: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $.LC0, %esi movl $_ZSt4cout, %edi call _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc movl $_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi movq %rax, %rdi call _ZNSolsEPFRSoS_E movl $0, %eax popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc
.LFE1021: .size main, .-main .type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function
_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
.LFB1030: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) cmpl $1, -4(%rbp) jne .L5 cmpl $65535, -8(%rbp) jne .L5 movl $_ZStL8__ioinit, %edi call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev movl $__dso_handle, %edx movl $_ZStL8__ioinit, %esi movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi call __cxa_atexit
.L5: nop leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc
.LFE1030: .size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii .type _GLOBAL__sub_I_main, @function
_GLOBAL__sub_I_main:
.LFB1031: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $65535, %esi movl $1, %edi call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc
.LFE1031: .size _GLOBAL__sub_I_main, .-_GLOBAL__sub_I_main .section .init_array,"aw" .align 8 .quad _GLOBAL__sub_I_main .hidden __dso_handle .ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609" .section .note.GNU-stack,"",@progbits

Но для того, чтобы машина поняла наш код, требуется преобразовать его в машинный код, который мы и получим на следующем шаге. Мы можем все также посмотреть и прочесть полученный результат.

3) Ассемблирование

Так как x86 процессоры исполняют команды на бинарном коде, необходимо перевести ассемблерный код в машинный с помощью ассемблера.
Ассемблер преобразовывает ассемблерный код в машинный код, сохраняя его в объектном файле.

Этот кусок машинного кода, который еще не был связан вместе с другими кусками машинного кода в конечную выполняемую программу, называется объектным кодом.
Далее возможно сохранение данного объектного кода в статические библиотеки для того, чтобы не компилировать данный код снова. Объектный файл — это созданный ассемблером промежуточный файл, хранящий кусок машинного кода.

Получим машинный код с помощью ассемблера (as) в выходной объектный файл driver.o:

$ as driver.s -o driver.o

Поэтому мы переходим к следующей стадии. Но на данном шаге еще ничего не закончено, ведь объектных файлов может быть много и нужно их всех соединить в единый исполняемый файл с помощью компоновщика (линкера).

4) Компоновка

Для того, чтобы понять как происходит связка, следует рассказать о таблице символов. Компоновщик (линкер) связывает все объектные файлы и статические библиотеки в единый исполняемый файл, который мы и сможем запустить в дальнейшем.

Таблица символов хранит имена переменных, функций, классов, объектов и т.д., где каждому идентификатору (символу) соотносится его тип, область видимости. Таблица символов — это структура данных, создаваемая самим компилятором и хранящаяся в самих объектных файлах. Также таблица символов хранит адреса ссылок на данные и процедуры в других объектных файлах.
Именно с помощью таблицы символов и хранящихся в них ссылок линкер будет способен в дальнейшем построить связи между данными среди множества других объектных файлов и создать единый исполняемый файл из них.

Получим исполняемый файл driver:

$ g++ driver.o -o driver // также тут можно добавить и другие объектные файлы и библиотеки

5) Загрузка

На данной стадии также возможна подгрузка динамических библиотек. Последний этап, который предстоит пройти нашей программе — вызвать загрузчик для загрузки нашей программы в память.

Запустим нашу программу:

$ ./driver // Hello, world!

Заключение

В скором времени будет опубликована вторая статья про статические и динамические библиотеки. В данной статье были рассмотрены основы процесса компиляции, понимание которых будет довольно полезно каждому начинающему программисту.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть