C语言——底层思维

底层思维，是指程序在硬件上如何编译存储运行的。

• gcc编译

$ gcc main.c  //编译C程序，默认生成a.out执行文件
 //gcc -v main.c 显示详细的编译过程信息
 //如果是C++文件（main.cpp）,把gcc改成g++即可
$ ./a.out     //运行程序

• gdb调试

$ gcc -g  main.c  //编译生成带有调试信息的执行文件a.out
$ gdb a.out //调试程序
$ l     //list: 查看源码(默认10行)
        //list 8  查看8行附近的代码
        //list main 查看函数名附近的码
$ b 5   //break: 在第5行设置断点
$ r     //run: 运行到断点处（如无则运行直到结束）
$ s     //step: 单步执行（如果是函数则进入）
$ n     //next: 单步跳过（如果是函数则跳过）
$ p a   //print: 查看变量内容
        // p &a  查看变量a的地址
        // p &b+1   b变量的地址根据数据类型递增(int型 会加4，char型则加1)
        // p *(&b+1)
        // p a[1] 
        // p *p1 查看p1指针里的内容 
        // p  add(4,7)  调用函数add 并打印返回值
$ p/t b // t  二进制显示 变量的值  
	// x  按十六进制格式显示变量。
	// d  按十进制格式显示变量。
	// u  按十六进制格式显示无符号整型。
	// o  按八进制格式显示变量。
	// a  按十六进制格式显示变量。
	// c  按字符格式显示变量。
	// f  按浮点数格式显示变量。      
$ x &a  //显示某地址的内存值 
        //例如 float a = 0.45; 的内存值为
        // 0x7fffffffdf8c:	00111110111001100110011001100110        
上下键  //可查看历史命令
$ bt     //查看堆栈信息 （如嵌套调用多个函数时）
$ c      //continue： 继续执行程序（直到下一个断点或者结束）
$ q      //quit: 退出gdb调试
$ dmesg  //查看内核信息   

如何编译生成执行文件？
生成执行文件的过程：main.c -> 预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 连接 -> a.out

$ gcc main.c fun.c  //编译多个文件，生成执行文件a.out
$ ./a.out          //运行程序

1. 预处理
   预处理执行的功能：
   （1）删除“#define”并展开所定义的宏
   （2）处理所有条件预编译指令，如“#if”,“#ifdef”, “#endif”等
   （3）插入头文件到“#include”处，可以递归方式进行处理
   （4）删除所有的注释“//”和“/* */”
   （5）添加行号和文件名标识，以便编译时编译器产生调试用的行号信息
   （6）保留所有#pragma编译指令（编译器需要用）

经过预编译处理后，得到的是预处理文件（如，hello.i) ，它还是一个可读的文本文件 ，但不包含任何宏定义，上面所说的第3条插入头文件到“include”处，可以理解为将头文件里面的内容进行展开

$ gcc -E main.c -o main.i //停在预处理阶段(生成 main.i文件) 
                          //发现宏被替换了,条件编译生效

2. 编译
   编译过程就是将预处理后得到的预处理文件（如 main.i）进行词法分析、语法分析、语义分析、优化后，生成汇编代码文件。用来进行编译处理的程序称为编译程序（编译器，Compiler）
   经过编译后，得到的汇编代码文件（如 main.s）还是可读的文本文件，CPU无法理解和执行它,不要着急，接下来进行下一步汇编命令的执行过程

$ gcc -S main.c  //停在编译阶段(生成汇编文件 main.s) 

3. 汇编
   首先我们先了解下汇编代码文件（由汇编指令构成）称为汇编语言源程序，其实就是上面编译过程结束之后生成的.s文件，这个文件就是汇编代码文件，该文件是有一条条汇编指令构成，汇编的作用就是讲这一条条汇编指令转换成对应的机器码执行。
   汇编结果是一个可重定位目标文件（如，main.o），其中包含的是不可读的二进制代码，必须用相应的工具软件来查看其内容

“汇编程序（汇编器）用来将汇编语言源程序转换为机器指令序列（机器语言程序） 汇编指令和机器指令一一对应，前者是后者的符号表示，它们都属于机器级指令，所构成的程序称为机器级代码，汇编的过程比较简单，只需要将相应的汇编指令翻译成对应的机器指令即可，没有什么复杂的变化。”

$ gcc -c main.c  //停在汇编阶段(生成目标文件 main.o )
$ vim main.o  //16进制显示 二进制文件
              //在命令行模式下输入  :%!xxd

4. 链接
   预处理、编译和汇编三个阶段针对一个模块（一个*.c文件）进行处理，得到对应的一个可重定位目标文件（一个*.o文件），但是在程序的编写过程中，我们都是多个.c文件的，这样经过上面的预处理，编译汇编的过程之后我们得到的也是多个.o(可重定位目标文件)，但是我们在最终执行的时候是只有一个可执行文件的，这个过程就是链接的目的了。
   链接过程将多个可重定位目标文件合并以生成可执行目标文件，在最后一步连接的过程中，我们不只是要hello.o而且还需要printf.o(代码中含有printf函数)，链接就是将这连个.o合并为一个生成可执行目标文件。

$ gcc -c fun.c 

$ gcc main.o fun.o  //链接目标文件或库文件(.a .so)，生成执行文件 a.out(.bin .exe)
                    //独立的目标文件都是从0地址开始，需要链接来重新合并安排地址 
                    //链接异常 会报 collect2: error: ld returned 1 exit status               
$ objdump -d a.out   //查看反汇编代码	
                     //可查看 objdump -d fun.o 等看链接过程是如何把代码嵌入式到main.o中

参考资料