UNIX系统开发.docx
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UNIX系统开发
第一章C编译系统
第一节编译过程概述
了解一些编译知识的读者都知道，所谓编译，就是在编译程序读取源程序（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，再由汇编程序转换为机器语言，并且按照操作系统对可执行文件感谢格式的要求链接生成可执行程序。
UNIX环境下的C编译系统所遵循的也是这么一个一般的过程。
值得注意的是这个过程并不是有某个单个程序完成的，而是有多个分别完成某一方面工作的程序组合完成的。
这一设计思想同我们最初提到的UNIX系统软件功能专一的特点是相符的。
归纳起来，可以将UNIX环境下C编译系统的工作过程下图所示。
C源程序头文件－－>预编译处理（cpp）－－>编译程序本身－－>优化程序－－>汇编程序－－>链接程序-->可执行文件
一般我们用cc命令来完成对源程序的编译工作。
此cc命令并不是一个二进制的可执行程序，而是一个shell命令文件。
它的工作就是依次调用我们上面所列出的各个完成某部分工作的具体程序，将指定的c源程序转换成可执行的代码。
1.编译预处理
在此阶段，预编译程序读取c源程序，对其中的伪指令（以#开头的指令）和特殊符号进行处理。
C语言中的伪指令主要包括以下四个方面
Ø宏定义指令
如#defineNameTokenString,#undef等。
对于前一个伪指令，预编译所要作得的是将程序中的所有Name用TokenString替换，但作为字符串常量的Name则不被替换。
对于后者，则将取消对某个宏的定义，使以后该串的出现不再被替换。
Ø条件编译指令
如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。
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
Ø头文件包含指令
如#include"FileName"或者#include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（""）。
关于预编译程序如何搜索头文件，后面我们将要介绍。
Ø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。
从上述过程我们可以看到，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。
2.编译阶段
经过预编译得到的输出文件中，将只有常量。
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。
这种等价的中间代码表示或汇编代码由于是编译程序按照一种比较固定的、相对而言比较机械的方法转换得到的。
自然我们不能指望它具有比较高的效率。
但一般情况下，我们在这方面的要求也不是很高，这样得到的代码也就基本上可以了。
但特殊情况下还要对此种程序进行优化，以期产生效率比较高的代码。
3.优化阶段
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。
上图中，我们将优化阶段放在编译程序的后面，这是一种比较笼统的表示。
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。
经过优化得到的汇编代码必须经过汇编程序的汇编转换成相应的机器指令，方可能被机器执行。
4.汇编过程
汇编过程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。
第一种事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。
5.链接程序
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让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。
经过上述五个过程，C源程序就最终被转换成可执行文件了。
缺省情况下这个可执行文件的名字被命名为a.out。
但并不是任何一个C源程序都要严格地按照上述过程走到底。
某些编译过程因其特殊需要将停止在某个位置。
例如，我们可能只想要得到某个C源程序的目标文件，这时就用不着进行链接。
对一个C源程序进行哪些阶段的处理，以及各阶段具体要经过什么处理是由在CC命令行中加入相应的选项而控制的。
关于cc命令的一些用法，我们将在下一章进行详细的讨论。
第二节CC的基本用法
在UNIX系统中，实现C源程序到可执行文件的这一转换过程的工具是cc。
在大多数系统中cc实际上是一个shell命令文件。
有些系统中的C编译程序可能并不叫cc而是其它的一个什么名称，如Sun工作站上常用的gcc等等。
但这些都无关紧要。
大多数系统中C编译命令的用法基本上都是类似的。
我们这里介绍的将以SVR4上的C编译系统为基础。
1.CC基本用法
一般我们只需要将C源程序的名字写在CC命令行中，cc即可对这些源文件（.c文件）进行编译。
如果这些源文件中都没有main（）函数的定义，那么cc将只能生成与各源文件相对应的目标文件（.o文件）。
如果某个源文件中有关于main（）函数的定义，则将把所有目标文件链接起来生成相应的可执行文件。
缺省的情况下这个可执行文件的名字将是a.out。
例如，假定myprog.c是一个包含有main（）函数定义的C语言程序文件，其中代码如下：
/*********************************************
*Anexamplesourcecodewitherrors *
*Name:
myprog.c *
*********************************************/
#include
#include
#defineTESTOK 1
intTestInput（char*ValuInput）
{
while（*ValueInput）
if（!
isdigit（*ValueInput））
return（!
TESTOK）;
else
ValueInput++;
return（（100/atoi（ValueInput））?
TESTOK:
!
TESTOK）;
}
voidmain（intargc,char*argv[]）
{
inti;
for（i=1;iif（TestInput（argv[i]）==TESTOK）
printf（"The%dthvalue'%s'\tisOK!
\n",i,argv[i]）;
else
printf（"The%dthvalue'%s'\tisBAD!
\n",i,argv[i]）;
}
对于此程序中的错误（设计错误）我们暂不理会。
下一章我们介绍程序调试时再回过头来看看如何排除这个错误。
我们看到。
在这个源程序文件中，定义了两个函数：
TestInput（）和main（）,定义了一个宏TESTOK,同时包含了两个标准的头文件。
为了把这个C程序转换成可执行文件，在shell提示符下输入：
$ccmyprog.c
在程序中没有任何语法错误的情况下，cc将在当前目录下生成一个名为a.out的可执行文件，如：
$ccmyproc.c
$ls-l
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