C语言程序目标文件详解：模块、链接与优化

目标文件格式概述是软件开发过程中至关重要的一部分，特别是在使用高级编程语言如C语言时。本文由南京大学计算机科学与技术系的袁春风撰写，于2015年6月，主要针对C语言程序的编译和链接流程进行深入讲解。 首先，作者通过一个简单的C语言示例来阐述程序结构，例如`main.c`和`swap.c`两个模块，它们各自包含代码和数据。`main.c`中定义了一个全局数组`intbuf[2]`和一个外部指针`int*bufp0`，而`swap.c`中有一个静态指针`static int*bufp1`和一个局部变量`temp`。局部变量`temp`存储在栈上，其生命周期仅限于函数内，不会在函数外部被访问。 程序编译和链接的过程可以分为几个步骤： 1. 使用GCC编译器进行编译和链接。例如，通过命令`gcc -O2 -g main.c swap.c`进行编译，`-O2`表示开启二级优化，`-g`则生成调试信息，`-o p`指定生成的目标文件名为`p`。 2. 源程序经过预处理器（cpp）、编译器（cc1）和汇编器（as）的处理，分别生成可重定位的目标文件（`.o`）。 3. 链接过程的核心是将这些目标文件合并，并解决符号引用。链接器会确定每个符号（如函数、变量等）的实际地址，并将它们插入到最终的可执行文件中，如`.text`区存放代码，`.data`区存放数据，`.bss`区存放未初始化的静态变量，`.symtab`用于符号表，`.debug`用于调试信息。 链接过程的关键步骤包括： - 符号解析：检查每个模块中的函数和变量引用，确保它们在其他模块中已经定义或存在。 - 合并.o文件：将所有相关的代码和数据合并到一个可执行文件中。 - 地址分配：为每个符号分配内存地址，这包括函数入口点、全局变量和静态变量。 - 更新指令地址：在指令中使用新的地址，以反映目标文件的合并和重定位。 文章中还提到，`main()`函数的入口点`addB`和`subB`等指令会根据链接后的地址调整，使得程序能够正确执行。此外，`int*bufp0`和`int*bufp1`等全局和静态变量的内存位置也会在链接阶段确定。 总结来说，本文详细解释了C语言程序如何通过编译器和链接器转化为可执行文件，涉及目标文件的结构、符号解析和链接操作，以及优化和调试选项的选择。这对于理解软件开发的底层工作原理和技术细节具有重要价值。