程序编译与链接的原理

‘壹’ 编译原理及步骤有哪些呢

编译原理及步骤主要包括以下几点：

1. 词法分析：

   • 步骤描述：源代码被读取并转换为抽象语法树之前的第一个步骤。
   • 核心任务：将源代码中的字符序列转换为标记序列，这些标记代表了源代码中的词法单元。

2. 语法分析：

   • 步骤描述：通过解析抽象语法树，确保源代码遵循语言的语法规则。
   • 核心任务：检查源代码的结构是否符合语言的语法定义，构建出符合语法规则的语法树。

3. 语义分析：

   • 步骤描述：在语法分析之后进行，对语法树进行进一步的检查和处理。
   • 核心任务：使用子表达式的类型标注语法树，检查赋值、函数调用等操作是否具有语义上的意义，如类型匹配等。

4. 优化：

   • 步骤描述：对语法树进行修改，以提升程序的执行效率。
   • 核心任务：通过各种优化技术对语法树进行优化，以提高代码的性能，但不改变程序的执行结果。

5. 目标代码生成：

   • 步骤描述：将优化后的语法树转换为目标代码，如机器语言或字节码。
   • 核心任务：生成可在目标机器上执行的代码，包括指令选择、寄存器分配、指令调度等过程。此外，还包括将生成的目标代码与库文件链接，以创建可执行文件或库。

综上所述，编译原理涉及从词法分析到目标代码生成的多个步骤，每个步骤都有其特定的任务和目标，共同确保源代码能够被正确、高效地转换为可执行代码。

‘贰’ 编译器概述

编译器概述

编译器是一种重要的系统软件，其核心功能是将高级语言编写的程序转换成等价的低级语言（目标语言）编写的程序。以下是对编译器的详细概述：

一、编译器的基本概念

编译器负责将高级语言（如C/C++、Java、Python等）编写的源代码转换成低级语言（如汇编、字节码或机器码）的程序。这种转换过程确保了高级语言的抽象性和可读性能够被转换成计算机能够直接执行或解释执行的代码。

• 高级语言：包括C/C++、Java、Python等，这些语言提供了丰富的语法和语义，使得程序员能够用更抽象的方式表达计算过程。
• 低级语言：

  汇编：一种低级的、人类编程语言，使用助记符和符号来表示计算机的指令集。

  机器码：计算机能够直接在硬件上执行的二进制代码，由0和1组成，代表着特定的CPU指令含义。

  字节码：一种中间代码表示形式，通常不直接在硬件上执行，而是在虚拟机或解释器上运行。

从广义上看，编译器也可以被定义为将一种语言构造的程序翻译为等价的另一种语言构造的程序，例如将Java语言程序翻译成C语言程序，或将C语言程序翻译成Rust语言程序。

二、编译器的历史发展

• 1946年：世界上第一台计算机诞生，随之第一代编程语言诞生，即二进制语言。
• 1946~1950年：第二代编程语言（汇编语言）诞生，随之诞生了汇编器，从广义上来说，这也算是一种编译器。
• 1956~1957年：第三代编程语言（高级语言）诞生，1957年第一个商用编译器“Fortran编译器”诞生。
• 20世纪60年代：诞生了许多新的编程语言，如Pascal、Cobol、Algol、PL/I等，编译器得到了迅速的发展。
• 20世纪70年代：Dennis Ritchie开发了C编程语言，随之第一个C语言编译器发布，这个编译器将C代码编译成PDP-11计算机上的机器代码。
• 20世纪80年代：编译器技术进一步演进，包括了对编译器优化的研究，以提高程序的性能。
• 从20世纪80年代末到21世纪：众多现代高级编程语言出现，如C++、Java、Python、Ruby等，编译器再一次得到了迅猛的发展，出现了类似如JIT等编译技术。
• 现代编译器：随着硬件和编程语言的不断发展，编译器技术也不断演进，以支持多核处理器、并行计算、GPU编程等新兴技术。近几年，随着深度学习、机器学习的发展，AI编译器也得到了快速的发展。

三、编译器的基本结构

编译器的基本结构可以分为前端、中端和后端。

• 前端：主要负责理解程序的语法形式和内容，即程序的语法和语义。前端会检查源程序代码是否符合正确的语法和语义，如果检查通过，它会给该程序建立一个中间表示代码。前端一般可分为词法分析、语法分析、语义分析和中间代码生成四个阶段。

• 中端：现代编译器引入的结构，主要使用合适的优化来提高代码质量，并将优化后的程序输出给后端进行进一步编译。这里的“提高”可以有多种含义，通常指执行速度更快、运行时耗费资源较少、占用的内存空间较小等。中端优化并不是越多越好，可能会出现互斥的情况，如优化执行速度有可能会导致占用的内存空间变大，所以优化需要根据具体目标进行优化。

  引入中端的目的主要有两个：一是前端和后端解耦，即多个语言的前端都可以生成公共的中端代码，而中端代码又可以进一步生成不同目标机器的代码；二是实现通用优化，在中端上可设计并实现与语言以及目标机器无关的程序优化算法，对程序的性能、规模或其它指标进行通用优化。

• 后端：主要任务是读入程序中间表示形式，并生成目标机器的指令代码。后端一般可分为指令选择、指令调度、寄存器分配以及代码发射四个阶段。

四、编译器框架

现代主流开源的编译器框架主要有GCC和LLVM。

• GCC：经过多年的开发和测试，GCC已经成为一个成熟且稳定的编译器。它支持多种编程语言，如C、C++等，并在各种平台上得到了广泛的验证和使用。GCC的架构相对一体化，代码之间的耦合度较高，因此扩展难度相对较大。

• LLVM：LLVM是一个高度模块化的编译器框架，成为了许多编程语言的首选编译器基础设施。与GCC相比，LLVM的架构更加灵活，扩展难度相对较小。然而，LLVM的文档更新速度相对较慢，在某些方面相对于GCC的成熟度较低。

以下是GCC和LLVM的架构图：

在编译器框架中，除了编译器本身外，还包括预处理器、汇编器、链接器和加载器等组件。这些组件共同协作，完成从源代码到可执行程序的整个编译过程。

• 预处理器：负责将源程序聚合在一起，并处理头文件包含和宏等工作。
• 汇编器：将编译器生成的汇编语言程序进行处理，生成可重定位的机器代码。
• 链接器：将多个可重定位的机器代码文件以及库文件链接到一起，形成真正能在机器上运行的二进制代码。
• 加载器：负责将可执行程序从存储介质加载到计算机的内存中，以便执行程序。

五、总结

编译器是计算机系统中不可或缺的重要组件，它负责将高级语言编写的程序转换成计算机能够直接执行或解释执行的代码。随着硬件和编程语言的不断发展，编译器技术也在不断演进，以支持更多的特性和优化。了解编译器的基本概念、历史发展、基本结构和编译器框架，有助于我们更好地理解计算机系统的运作原理，并优化我们的程序代码。

‘叁’ linux configure、 make、 make install编译原理

Linux中configure、make、make install编译原理

在Linux系统中，从源代码编译和安装软件是一个常见的任务。这个过程中，configure、make和make install是三个关键的命令。以下是它们各自的作用和背后的原理：

1. configure

作用：在编译软件之前，configure脚本用于检测系统的各种特性，如操作系统、编译器、库文件等，以确保软件可以在当前系统上成功编译和运行。

原理：configure脚本通常由autoconf工具生成，它包含了大量的检查项和条件语句。当执行./configure命令时，脚本会运行这些检查项，并设置相应的编译参数和变量。这些参数和变量会被保存到Makefile文件中，供后续的make命令使用。

配置参数：

• --build=BUILD：指定执行代码编译的主机系统，一般默认为当前系统。
• --host=HOST：指定软件运行的系统平台，用于交叉编译时指定目标系统的工具链前缀。
• --target=TARGET：仅在建立交叉编译环境时用到，指定新编译的编译器将运行在哪个系统上。
• CC：指定C编译器命令，如交叉编译器。
• --prefix=PREFIX：指定软件安装后的目录。

2. make

作用：make是一个自动化构建工具，用于根据Makefile文件中定义的规则来编译和链接源代码，生成可执行文件或库文件。

原理：Makefile文件描述了构建软件所需的所有步骤和依赖关系。当执行make命令时，它会读取Makefile文件，并根据其中的规则来执行相应的命令（如编译、链接等）。这些规则可以包括编译器的选项、链接器的选项、需要包含的源文件等。

执行机制：make命令在执行时，会检查源文件的时间戳和目标文件的时间戳。如果源文件比目标文件新（或者目标文件不存在），那么make就会重新编译该源文件；否则，make就会跳过该步骤，以节省时间。

3. make install

作用：make install命令用于将编译生成的可执行文件、库文件、配置文件等复制到指定的安装目录（通常由configure命令的--prefix选项指定）。

原理：当执行make install命令时，make会读取Makefile文件中定义的安装规则，并将编译生成的文件复制到指定的目录。这些规则可以包括文件的复制、权限的设置、链接的创建等。

注意事项：在执行make install之前，通常需要先执行make命令来确保源代码已经被成功编译。

总结：

• ./configure的作用是检测系统配置，生成Makefile文件，以便可以用make和make install来编译和安装程序。
• ./configure是源代码安装的第一步，主要的作用是对即将安装的软件进行配置，检查当前的环境是否满足要安装软件的依赖关系。
• make根据Makefile中的规则编译源代码。
• make install将编译生成的文件复制到指定的安装目录。

这三个命令共同构成了Linux系统中从源代码编译和安装软件的标准流程。通过合理使用这些命令和配置参数，用户可以在不同的系统平台上灵活地编译和安装所需的软件。

‘肆’ 编译原理基本概念

编译原理的基本概念包括以下几点：

1. 编译原理的定义：编译原理涉及计算机程序设计中的重要概念，主要关注一种语言到另一种语言的转换过程，这个转换由专门的计算机程序——编译器来完成。

2. 编译器的核心任务：接收源代码并转换为目标程序，即机器可读的形式。

3. 源程序与目标程序：

   • 源程序：原始的编程语句，是程序员使用的语言形式，包含复杂的逻辑和功能，但无法直接被计算机理解。
   • 目标程序：编译器将源程序转换后的形式，更为机器可读，可以直接在特定的计算机硬件上执行。

4. 编译过程：

   • 输入：源程序被输入到编译器中。
   • 处理：编译器通过一系列复杂的处理步骤，包括词法分析、语法分析、语义分析和代码生成等。
   • 输出：生成的目标程序可以直接在特定的计算机硬件上执行。

5. 编译原理的重要性：

   • 确保高级语言的代码能够高效、准确地被计算机执行。
   • 使程序员可以更专注于问题的逻辑设计，而非底层的指令操作。

6. 编译原理课程的内容：

   • 包括语言和文法、词法分析、语法分析、语法制导翻译、中间代码生成、存储管理、代码优化和目标代码生成等。

7. 编译原理课程的意义：

   • 虽然只有少数人从事编译方面的工作，但编译原理课程在理论、技术、方法上都对学生提供了系统而有效的训练，有利于提高软件人员的素质和能力。

‘伍’ 编译原理

C语言编译过程详解
C语言的编译链接过程是要把我们编写的一个C程序(源代码)转换成可以在硬件上运行的程序(可执行代码)，需要进行编译和链接。编译就是把文本形式源代码翻译为机器语言形式的目标文件的过程。链接是把目标文件、操作系统的启动代码和用到的库文件进行组织形成最终生成可执行代码的过程。过程图解如下：

从图上可以看到，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。
一、编译过程
编译过程又可以分成两个阶段：编译和汇编。
1、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：
第一个阶段是预处理阶段，在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。如#include指令就是一个预处理指令，它把头文件的内容添加到.cpp文件中。这个在编译之前修改源文件的方式提供了很大的灵活性，以适应不同的计算机和操作系统环境的限制。一个环境需要的代码跟另一个环境所需的代码可能有所不同，因为可用的硬件或操作系统是不同的。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。
主要是以下几方面的处理：
(1)宏定义指令，如 #define a b。
对于这种伪指令，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。
这些伪指令的引入使得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。
在头文件中一般用伪指令#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。
例如在源程序中出现的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。预编译程序对于在源程序中出现的这些串将用合适的值进行替换。
预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代，生成一个没有宏定义、没有条件编译指令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的，但内容有所不同。下一步，此输出文件将作为编译程序的输出而被翻译成为机器指令。
第二个阶段编译、优化阶段。经过预编译得到的输出文件中，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。
2、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：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。
UNIX环境下主要有三种类型的目标文件：
(1)可重定位文件
其中包含有适合于其它目标文件链接来创建一个可执行的或者共享的目标文件的代码和数据。
(2)共享的目标文件
这种文件存放了适合于在两种上下文里链接的代码和数据。
第一种是链接程序可把它与其它可重定位文件及共享的目标文件一起处理来创建另一个 目标文件；
第二种是动态链接程序将它与另一个可执行文件及其它的共享目标文件结合到一起，创建一个进程映象。
(3)可执行文件
它包含了一个可以被操作系统创建一个进程来执行之的文件。汇编程序生成的实际上是第一种类型的目标文件。对于后两种还需要其他的一些处理方能得到，这个就是链接程序的工作了。
二、链接过程
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被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。
(2) 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。
我们在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：
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
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
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
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
总结起来编译过程就上面的四个过程：预编译、编译、汇编、链接。了解这四个过程中所做的工作，对我们理解头文件、库等的工作过程是有帮助的，而且清楚的了解编译链接过程还对我们在编程时定位错误，以及编程时尽量调动编译器的检测错误会有很大的帮助的。