关于编译代码,你应该知道的

开发
用这个方便的捕鼠器比喻来理解编译代码。

源代码必须要经过编译才能够运行程序,而对于开源软件,每个人都可以获取源代码。无论你是自己编写了代码,想要编译和运行它,还是下载了某人的项目来尝试它,了解如何通过 ​​编译器​​ 处理源代码,以及编译器如何处理这些代码,这都很有用。

创建一个更好的捕鼠器

一般情况我们不会将一个捕鼠器比作电脑,但不管你信不信,它确实与你正在使用的设备(手机或电脑)的 CPU 有一些相似之处。经典的捕鼠器(我说的不是 🐈)有两种状态:打开或者释放。你可以认为 打开 是将捕鼠器设置好准备捕获老鼠,以及 释放 是捕鼠器被老鼠触发。某种意义上来说,捕鼠器就像是一台有鼠标的电脑。你可以想象一下这个代码,用一种虚构的语言来描述这个过程:

if mousetrap == 0 then
There's a mouse!
else
There's no mouse yet.
end

换句话说,你可以基于捕鼠器的状态发现是否有老鼠(数据)。当然,捕鼠器不是万无一失的,有可能有一只老鼠在捕鼠器旁边,由于老鼠还没有触发捕鼠器,所以它的状态还是 打开 的。因此该程序可以进行改进,这都是非常典型的。

开关

总的来说,捕鼠器就是一个开关。你会在家里使用开关打开灯。可以从开关中获得许多信息。比如,人们会从你家灯的状态了解到你是否在家。

你可以根据邻居家灯的状态来改变行为。如果邻居家所有的灯都熄灭了,那么请关掉你大声的音乐,因为人们可能已经上床睡觉了。

CPU 也使用这样的逻辑,只不过乘以几个数量级,缩小到了微观级别。当 CPU 在特定寄存器上接收到电信号时,可以触发其他一些寄存器,然后触发另一个,以此类推。如果这些寄存器有特定的意义,那么就可以通信。也许激活同一主板上某处的芯片,或者使 LED 亮起,或者改变屏幕上的像素颜色。

种瓜得瓜,种豆得豆。如果你真的想在多个位置而不是仅限于一处发现老鼠,但是你只有一个捕鼠器,那你应该开发一个应用才行。使用网络摄像头和一些基本的图像识别软件,你可以建立空厨房的模型,然后扫描变化。当老鼠进入厨房,在原先没有老鼠的图像上会有像素的变化。记录下这些数据,如果有无人机可以追踪老鼠并捕获会更好,这样就可以将老鼠赶出厨房了。这时,你通过打开和关闭信号的魔法,创造了一个更好的捕鼠器。

编译器

代码编译器将人们可阅读的代码转换成 CPU 可以理解的机器语言。这是非常复杂的过程,因为 CPU 非常复杂(甚至比捕鼠器更加复杂),同时因为该过程比严格“需要”的更加灵活。并不是所有的编译器都很灵活。有一些编译器只有一个目标,它们只会处理特定格式的代码文件,处理过程也因此而简单明了。

幸运的是,现代的通用编译器并不简单。它们允许你编写不同语言的代码,也允许你用不同的方式链接库文件,并且可以生成运行在不同架构上的文件。​​GNU 编译器集合​​​(GCC)的 ​​gcc​​​ 编译器 ​​--help​​​ 会输出超过 50 行的选项,LLVM 的 ​​clang​​​ 编译器的 ​​--help​​ 输出超过 1000 行。GCC 指导手册的字数超过 10 万。

当你在编译代码时会有很多选项。

当然,大多数人并不需要知道所有的选项。我从未读过 GCC 的手册页,因为它们是针对 Objective-C、Fortran 以及我从未听说过的芯片架构的。不过我重视它将代码编译为不同的架构 —— 64 位或者 32 位 —— 的能力,以及在其他行业已经落后的计算机上运行开源软件的能力。

编译生命周期

同样重要的是,理解编译代码的不同阶段。这是一个简单的 C 语言程序的生命周期:

  1. 带有宏定义的 C 源代码​​.c​​​ 文件,用​​cpp​​​ 预处理为​​.i​​ 文件。
  2. 扩展了宏定义的 C 源代码​​.i​​​ 文件,会被​​gcc​​​ 转译成​​.s​​ 文件。
  3. 以汇编语言写的文本文件​​.s​​​ 文件被汇编为目标​​.o​​ 文件。
  4. 带有 CPU 指令的二进制目标代码,以及其他目标文件和库​​*.o​​​ 文件,以内存区域无关的偏移量,使用​​ld​​ 链接以生成可执行文件。
  5. 最终的二进制文件要么包含所有需要的目标,要么设置以动态链接库​​*.so​​ 文件加载。

你可以试试这个简单示例(可能需要对库路径做一些调整):

$ cat << EOF >> hello.c
#include
int main(void)
{ printf("hello world\n");
return 0; }
EOF
$ cpp hello.c > hello.i
$ gcc -S hello.i
$ as -o hello.o hello.s
$ ld -static -o hello \
-L/usr/lib64/gcc/x86_64-slackware-linux/5.5.0/ \
/usr/lib64/crt1.o /usr/lib64/crti.o hello.o \
/usr/lib64/crtn.o --start-group -lc -lgcc \
-lgcc_eh --end-group
$ ./hello
hello world

可获得的知识

计算机已经变得非常强大,并且用户友好。请不要走向这两种可能的极端中的任何一种:计算机不像捕鼠器和电灯开关那么简单,但它们也不是无法理解的。你可以了解编译代码、如何链接以及针对不同架构进行编译。一旦你知道了,你就可以更好地调试代码。你可以理解你下载的代码,甚至可以修复其中的一两个错误。同时从理论上来讲,你可以建造一个更好的捕鼠器,或者用捕鼠器造一个 CPU。由你决定。

责任编辑:庞桂玉 来源: Linux中国
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