GCC 从源文件到 ELF 的四个阶段

摘要

GCC 驱动程序把 C 源码依次交给预处理器、编译器、汇编器和链接器，最终生成可由目标系统装载的 ELF。gcc test.c -o test 会隐藏这些中间步骤；分别使用 -E、-S 和 -c 可以保留 .i、.s 和 .o，从而观察宏展开、目标指令生成、符号与重定位以及最终链接过程。

总体流程

test.c
  │ 预处理：头文件包含、宏展开、条件编译
  │ gcc -E
  ▼
test.i
  │ 编译：语义检查、优化、生成目标架构汇编
  │ gcc -S
  ▼
test.s
  │ 汇编：机器指令编码、符号和重定位信息
  │ gcc -c
  ▼
test.o
  │ 链接：解析符号、合并段、加入启动代码和库
  │ gcc test.o -o test
  ▼
test（ELF 可执行文件）

1. 预处理不是编译成机器码

aarch64-linux-gnu-gcc -E test.c -o test.i

预处理器主要完成：

展开 #include 引入的头文件。
替换 #define 宏。
根据 #if 等条件选择代码。
保留供诊断使用的源文件与行号标记。

因此一个很短的 test.c 可能产生数万字节的 test.i。本轮 test.i 为 65,438 字节；MAX_SIZE 在后续汇编中已经表现为常量 409600，运行时不再存在名为 MAX_SIZE 的变量。

2. 编译阶段决定目标 ISA

aarch64-linux-gnu-gcc -S test.i -o test.s

这一阶段把经过预处理的 C 翻译成 AArch64 汇编。生成文件中的典型证据包括：

.arch armv8-a
stp x29, x30, [sp, -32]!
bl malloc
bl memset
bl printf
bl free
ret

x0～x30 和 stp、bl、ret 都属于 AArch64，而非宿主机 x86-64。交叉编译器运行在 x86-64 主机上，但生成的是目标架构指令。

409600 被拆成两条指令构造：

mov  x0, 16384
movk x0, 0x6, lsl 16

其值为 0x64000，也就是 100 × 4096。

3. 目标文件不是可直接运行的完整程序

aarch64-linux-gnu-gcc -c test.s -o test.o

汇编器把助记符编码为 AArch64 机器指令，并建立 ELF 段、符号表和重定位项。此时 malloc、printf 等外部符号还没有最终实现地址，必须由链接器解析。

可以用这些工具观察：

file test.o
aarch64-linux-gnu-readelf -h test.o
aarch64-linux-gnu-readelf -S test.o
aarch64-linux-gnu-readelf -r test.o
aarch64-linux-gnu-nm test.o

4. 链接产生最终 ELF

aarch64-linux-gnu-gcc test.o -o test --static

链接器完成：

合并目标文件与库中的段。
解析 malloc、memset、printf、free 等符号。
加入 C 运行时启动代码，建立真正的进程入口。
应用重定位并生成 ELF program headers。

使用 GCC 驱动链接而不是直接调用 ld，是因为 GCC 会自动选择正确的启动文件、libc、libgcc 和链接参数。

静态链接为什么便于跨机器实验

静态 ELF 把运行所需的库代码合入程序，不依赖目标根文件系统中恰好存在匹配的动态加载器和 libc：

静态链接：ELF 内含所需库代码，文件较大、部署简单
动态链接：ELF 记录解释器与共享库依赖，文件较小、运行环境必须匹配

这不是说静态程序完全不依赖内核：它仍通过目标架构的系统调用 ABI 请求 Linux 提供内存、文件和进程等服务。

原生编译与交叉编译

同一个 test.c 在当前实验中产生两种 ELF：

宿主 gcc                 → x86-64、PIE、动态链接
aarch64-linux-gnu-gcc   → ARM aarch64、静态链接

x86-64 宿主不能直接执行 AArch64 指令；AArch64 ELF 被复制到 ARM64 QEMU Guest 后才能由 ARM64 Linux 正常执行。编译器所在架构称为 host，生成程序运行的架构称为 target。

为什么每次打印的堆地址不同

malloc() 返回的是当前进程的虚拟地址。Linux 的 ASLR 和 libc 的内存分配策略会改变堆或匿名映射的位置，因此多次运行可能得到不同地址；只要返回非空、能够写入和释放，就不表示错误。