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一个 Hello world 程序在计算机中是怎样运行的

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cxuan edited this page Jul 10, 2020 · 2 revisions

C 语言程序成为高级语言的原因是它能够读取并理解人们的思想。然而，为了能够在系统中运行 hello.c 程序，则各个 C 语句必须由其他程序转换为一系列低级机器语言指令。这些指令被打包作为可执行对象程序，存储在二进制磁盘文件中。目标程序也称为可执行目标文件。

在 UNIX 系统中，从源文件到对象文件的转换是由编译器执行完成的。

gcc -o hello hello.c

gcc 编译器驱动从源文件读取 hello.c ，并把它翻译成一个可执行文件 hello。这个翻译过程可用如下图来表示

这就是一个完整的 hello world 程序执行过程，会涉及几个核心组件：预处理器、编译器、汇编器、连接器，下面我们逐个击破。

  • 预处理阶段(Preprocessing phase)，预处理器会根据开始的 # 字符，修改源 C 程序。#include <stdio.h> 命令就会告诉预处理器去读系统头文件 stdio.h 中的内容，并把它插入到程序作为文本。然后就得到了另外一个 C 程序hello.i，这个程序通常是以 .i为结尾。
  • 然后是 编译阶段(Compilation phase)，编译器会把文本文件 hello.i 翻译成文本hello.s，它包括一段汇编语言程序(assembly-language program)。这个函数包含 main 函数的定义，如下
main:
	subq		$8, %rsp
	movl		$.LCO, %edi
	call		puts
	movl		&0, %eax
	addq		$8, %rsp
	ret

上面定义中的 2 - 7 描述了一种低级语言指令。汇编语言是非常有用的，因为它能够针对不同高级语言来提供自己的一套标准输出语言。

  • 编译完成之后是汇编阶段(Assembly phase)，这一步，汇编器 as会把 hello.s 翻译成机器指令，把这些指令打包成可重定位的二进制程序(relocatable object program)放在 hello.c 文件中。它包含的 17 个字节是函数 main 的指令编码，如果我们在文本编辑器中打开 hello.c 将会看到一堆乱码。
  • 最后一个是链接阶段(Linking phase)，我们的 hello 程序会调用 printf 函数，它是 C 编译器提供的 C 标准库中的一部分。printf 函数位于一个叫做 printf.o文件中，它是一个单独的预编译好的目标文件，而这个文件必须要和我们的 hello.o 进行链接，连接器(ld) 会处理这个合并操作。结果是，hello 文件，它是一个可执行的目标文件（或称为可执行文件），已准备好加载到内存中并由系统执行。
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