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Linux下可执行程序的生成和运行详解(编译链接汇编图解)

ops 2025/8/23 15:21:59

Linux可执行程序的生成和运行详解

01.可执行程序的生成流程

我们已知用高级语言编写的程序无法直接被机器识别，需要被编译成机器指令才能被机器识别，在此涉及四个过程：

1.1 预处理

头文件包含，宏定义替换，注释删除操作。

gcc -E myexe.c -o myexe.i  # 仅执行预处理相关操作

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1.2 编译

将预处理后的代码转换为汇编代码，并进行语义/语法分析和符号汇总。

gcc -S myexe.i -o myexe.s  # 执行编译生成汇编代码

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1.3 汇编

将汇编代码转换为机器码，生成可重定位目标文件。

gcc -c myexe.s -o myexe.o  # 汇编为机器指令

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1.4 链接

将多个目标文件（.o）和库文件（.a 或 .so）合并为可执行文件，解决符号引用。

1.4.1 动/静态库

动态链接：节省内存，支持库更新；
静态链接：部署简单，无外部依赖。

动态库也称为共享库，系统一般自带动态库，静态库需要手动安装。系统给我们提供了标准库.h（告诉怎么用），标准的动静态库.so/.a（告诉我们，方法实现我有，来找我）。可执行程序=我的代码+库的代码。

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1.4.2 多文件编译

链接过程示意图：

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在不用makefile条件下的多文件编译。如果出现了问题使用gcc -v ，--help，-g排除问题。

// process.c
#include"process.h"
void ProcessOn(){//函数的定义//循环101次int cnt=0;char bar[NUM];char style[S_NUM]={'-','+','=','_','.'};const char *lable="|\\-/";memset(bar,'\0',sizeof(bar));while(cnt<=100){printf("[%-100s][%-3d%%][%c]\r",bar,cnt,lable[cnt%4]);fflush(stdout);bar[cnt++]=style[Npp];usleep(50000);  }printf("\n");
}
// process.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define NUM 101
#define S_NUM 5
extern void ProcessOn();//函数声明
// main.c
#include"process.h"
int main(){ProcessOn();//函数调用printf("hello world!\n");return 0;
}

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通过gcc -v process.c可知文件在当前目录根/usr/这些路径下搜索process.c。如果编译器找不到在末尾加上I/目录指定即可。

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02.操作系统执行程序步骤

在Linux环境下可执行文件的格式是ELF，在Windows下可执行程序是EXE。

直接 exec 而不用 fork可以吗？
exec 会替换当前进程的代码，若直接调用，父进程（如Shell）会被覆盖，无法继续运行。

fork + execve 的设计优势是什么？

COW 机制下，fork 的实际开销很小，后紧随 execve 时，未修改的内存页无需复制性能高效。子进程的失败不会影响父进程。

2.1 fork创建子进程

分配PCB设置并子进程的PID和状态
复制父进程fd，页表等资源
使用COW技术(下面有介绍)，父子共享内存，知道一方写操作

sequenceDiagramparticipant 用户participant Shellparticipant 操作系统内核用户 ->> Shell: 输入 ./myprocessShell ->> Shell: 解析命令，检查路径Shell ->> 操作系统内核: fork() 创建子进程操作系统内核 -->> Shell: 返回子进程PIDShell ->> 操作系统内核: 父进程调用 wait()

后续父进程P(wait)操作等待子进程执行完毕，避免产生僵尸进程。

2.2 execve加载ELF文件

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);//man 2execve详见该系统调用 
//eg
char* argv[] = {"./a.out", "arg1", NULL};
execve("./a.out", argv, environ); // environ 为全局环境变量