🏗️ Bir C Programı Derlenirken Olanlar
C, derlenen yani compiled bir dildir. Bknz: 🌈 15 Features of The C Programming Language.
Gerçi bir dilin derlenen veya yorumlanan interpreted bir dil olmasına doğrudan dilin bir özelliği de deneyebiliriz. Örneğin Python interpreter’ı yerine bir C interpreter’ı pekala yazılabilir. Burada önemli olan dilin kurallarının doğru uygulanması ve doğru sonuçların üretilmesidir. Özellikle Python gibi dillerde çeşitli teknolojilerle çalışan yorumlayıcılar bulunmaktadır. Ama C dilini düşündüğümüz zaman C’yi her zaman derlenen bir dil olarak düşünebiliriz.
Bir C programı tipik olarak birden fazla .c ve .h uzantılı dosyalardan
oluşur. Bu dosyalar özünde birer metin dosyasıdır. Bizler programcılar olarak bu
metin dosyalarına ya metin editörleri ile ya da IDE gibi daha kompleks
yazılımlar kullanarak C dilinde çeşitli kodlar yazarız. Programımız bittiği
zaman derleyici yani compiler tarafından bu dosyalar bir derleme
yani compilation işlemine tutulur ve sonuç olarak doğrudan işlemci üzerinde
çalıştırılabilecek makine kodu içeren bir çalıştırılabilir dosya yani
executable file oluşur.
Not
Bir dilde yazılan programları başka dile çeviren yazılımlara translator yani çevirici denir. Eğer hedef dil, kaynak dilden daha düşük seviyede ise bu tarz çevirici programlara da derleyici yani compiler adı verilir.
GCC, Clang, MSVC günümüzde en çok kullanılan C derleyicilerinden bazılarıdır.
Derleme Adımları
Bir C programı derlenirken gerçekleşen birkaç temel adım bulunmaktadır. Elbette her derleyicinin kendi tasarımına göre gerçekleştirdiği onlarca adım olabilir ve bunlar derleyici tasarımına göre değişiklik gösterecektir. Burada derleyiciden derleyiciye değişmeyen ve bilmemiz gereken temel adımlara bakacağız.
C dili separte compilation modele sahip bir dildir. Bunun ne olduğuna birazdan değineceğim.
Önemli
Bir C programının nasıl derlendiğini bilmek, C dilindeki bazı kuralların nedenini anlamakta, karşılaştığımız hata ve uyarıların sebeplerini kavramakta ve daha optimum kod yazmakta bizler için oldukça faydalı olacaktır.
Yazdığımız her .c uzantılı dosya birer kaynak dosya yani source file
olmaktadır. .h dosyaları da birer kaynak dosya olsa da tipik olarak doğrudan
derleyici tarafından ele alınmazlar. Bir .c dosyası içerisinde #include gibi
direktiflerle koda dahil edilip, .c dosyası içierisinde ele alırlar.
Bir programı derlemeye başladığımızda her bir .c dosyası ayrı ayrı ve tek
tek derlenir, daha sonra birleştirilir. İşte buna separte compilation
model diyoruz. Şimdi tek bir .c dosyasının başına gelenlere bakalım.
Preprocessor (Önişlemci)
Bir .c dosyası derlenmeye başandığında ilk olarak önişlemci yani
preprocessor denen ve tipik olarak derleyicinin içerisinde bulunan bir
yazılım çalışır. C kodu içerisinde # ile başlayan satırlara preprocessor
directives yani önişlemci komutları adı verilir. İşte preprocessor bu
satırları işler. Bunların detaylarına sonra bakacağız. Bu işleme ya da bu ana da
preprocessing time adı verilir. Preprocessor çıktısı translation unit
yani çeviri birimi olarak adlandırılır. Translation unit içerisinde artık
# ile başlayan satırlar bulunmaz. Derleyiciler tipik olarak bu ara çıktıyı
diskte tutmazlar. Ama deneysel olarak biz bu dosyayı derleyiciden isteyebiliriz.
Aşağıdaki C kodunu ele alalım:
1#define PI 3.14
2
3double area(double r) {
4 return PI * r * r;
5}
Burada 1 nolu satırda #define önişlemci komutu ile bir makro tanımlanmakta
ve 4 nolu satırda da ilgili makro kullanılmaktadır. Derleyici, önişlemciyi
çalıştırdığı zaman 4 nolu satırda bulunan PI atomu, 3.14 ile yazısı ile
önişlemci tarafından değiştirilir ve çıktısı olan translation unit dosyasında
artık 1 nolu satır bulunmaz ve 4 nolu satırda da PI yerine 3.14 yazar.
GCC’ye -E flag’ini vererek translation unit dosyasını tutmasını söyleyebiliriz.
Translation unit dosyaları tipik olarak .i uzantısına sahiptir.
gcc -E test.c -o test.i
Sonuç (gereksiz satırları attım):
1double area(double r) {
2 return 3.14 * r * r;
3}
Eğer -E vermeden gcc yi doğrudan çağırırsanız bu ara çıktıyı göremezsiniz.
Not
Siz de #include <stdio.h> ekleyerek aynı işlemi tekrarlayın ve stdio.h
içerisinden ne kadar fazla satır geldiğini kendiniz görün.
Önişlemci çıktısı tam da tahmin ettiğimiz gibi olmuştur. O zaman şimdiye kadar öğrendiklerimizi çizelim:
---------------
| |
| Kaynak Kod |
| .c |
| |
---------------
|
|
Preprocessor
|
↓
---------------
| |
| Translation |
| Unit |
| .i |
---------------
Compiler (Derleyici)
Derleme işleminin tamamına yapan yazılıma aslında compiler diyoruz. Ama burada spesifik olarak bir aşamada göre alan yazılıma (ya da yazılım bileşenine) compiler diyoruz. Derleme sırasında bu işlemin geçtiği ana da compile time adını veriyoruz.
Compiler’ın girdisi translation unit olmaktadır ve çıktısı da tipik olarak hedef platformun assembly code u olmaktadır. Yani derleyici tipik olarak C kodunu alıp, assembly koduna çevirir. Ama böyle olmak zorunda da değildir. Biraz sonra object code dan konuşacağız. Derleyici assembly’e çevirmeden object code a da çevirebilir.
GCC’de benzer şekilde -S seçeneği ile derleyicinin çıkardığı assembly kodunu
alabiliriz. Yukarıdaki koddan devam edelim.
gcc -S test.c -o test.s
Assembly kodlarının bulunduğu dosyalar tipik olarak .s uzantısına sahiptir.
Eğer test.s dosyasını bir metin editörü ile açarsanız işlemcinizin assembly
dilinde yazılmış kod parçaları görebilirsiniz.
Oluşturulan assembly kodu assembler adı verilen bir yazılıma sokulur, burada artık makine kodlarına çevrilen yazılım object codea yani hedef koda dönüştürülür. Buradaki object, objective den gelmektedir. OOP’nin içerisindeki object ile bir ilgisi yoktur. Derleyici isterse translation unit’ten doğrudan object code’da geçebilir ama hayal etmek açısından arada bir assembler olduğunu düşünebiliriz.
GCC’nin -c flag’i ile object code ya da başka deyişle object file’ı elde
edebiliriz. Bu dosyaların uzantısı tipik olarak .o olmaktadır.
gcc -c test.c -o test.o
Object file’lar sıradan metin dosyaları değildir. Bu dosyaları metin editör ile açarsanız anlamlı şeyler çıkmayacaktır. Onun yerine objdump gibi başka yazılımlar ile bu dosyalar analiz edilebilir.
objdump -d test.o
gibi… Bu komutu çalıştırırsanız makine kodlarını ve objdump un o kodlardan
geri dönerek gösterdiği sembolik makine dili, assembly, kodlarını görebilirsiniz.
Çizimimizi güncelleyelim:
---------------
| |
| Kaynak Kod |
| .c |
| |
---------------
|
|
Preprocessor
|
↓
---------------
| |
| Translation |
| Unit |
| .i |
---------------
|
|
Compiler
|
↓
---------------
| |
| Assembly |
| Code |
| .s |
---------------
|
|
Assembler
|
↓
---------------
| |
| Object |
| Code |
| .o |
---------------
Object code içerisinde artık makine kodları vardır, yazdığımız C kodundan adeta eser kalmamıştır. Bu dosya içerisinde bir sonraki aşama için ihtiyaç duyulacak başka metadata bilgiler de bulunmaktadır.
Linker (Bağlayıcı)
Yukarıda bahsettiğim tüm işlemler (önişlemci, derleyici ve assembler) her .c
kodu için ayrı ayrı yapılır. Fakat biz günün sonunda tek bir çalıştırılabilir
dosya istiyoruz, bu nasıl olacak? Şu an elimizde her bir .c dosyası için bir
.o dosyası var. İşte bu aşamada linker yani bağlayıcı tüm object
file’ları alıp birleştiriyor ve bir adet executable file yani
çalıştırılabilir dosya çıkartıyor. İşlemin bu anına da link time adını
veriyoruz.
--------------- --------------- ---------------
| | | | | |
| Kaynak Kod | | Kaynak Kod | | Kaynak Kod |
| .c | | .c | | .c |
| | | | | |
--------------- --------------- ---------------
| | |
| | |
Preprocessor Preprocessor Preprocessor
| | |
↓ ↓ ↓
--------------- --------------- ---------------
| | | | | |
| Translation | | Translation | | Translation |
| Unit | | Unit | | Unit |
| .i | | .i | | .i |
--------------- --------------- ---------------
| | |
| | |
Compiler Compiler Compiler
| | |
↓ ↓ ↓
--------------- --------------- ---------------
| | | | | |
| Assembly | | Assembly | | Assembly |
| Code | | Code | | Code |
| .s | | .s | | .s |
--------------- --------------- ---------------
| | |
| | |
Assembler Assembler Assembler
| | |
↓ ↓ ↓
--------------- --------------- ---------------
| | | | | |
| Object | | Object | | Object |
| Code | | Code | | Code |
| .o | | .o | | .o |
--------------- --------------- ---------------
| | |
|→-------------------|-------------------←|
Linker
|
↓
---------------
| |
| Executable |
| File |
| ELF, EXE |
---------------
Yukarıdaki çizimde 3 farklı .c dosyasından bir C programının derleme
aşamalarını görüyoruz. Her bir .c dosyası bağımsız bir şekilde derleniyor,
object code oluşuyor ve sonunda linker bu object file’ları birleştirerek tek bir
çalıştırılabilir dosya üretiyor.
Burada her ne kadar 4 farklı aşama veya yazılım var gibi düşünsek de bir derleme
işlemi yaptığımızda temelde 2 aşamadan veya araçtan bahsederiz: compiler ya
da compile time ve linker ya da link time. Linker dışındaki tüm
araçları compiler a dahil edebilirsiniz. Günümüzde derleyici dediğimiz zaman
bu araçların tümünü içeren yazılımları anlıyoruz yani .c dosyalarını alıp,
çalıştırılabilir dosyaya götürebilen ve bu aşamaları yapan araçlara derleyici
diyoruz. Ama eski yıllarda önişlemciler, derleyiciler ve bağlayıcılar ayrı birer
program olarak bulunuyormuş. Şimdilerde ise GCC gibi araçlara bu yazıda
gösterdiğim gibi çeşitli flag’ler geçerek daha alt parçaları çalıştırabiliyoruz.
Time’lar
Çalıştırılabilir dosyanın çalıştırılma aşamasına da run time adı veriliyor. Yani 4 farklı adım var:
Preprocessing time
Compile time (Assembler dahil)
Link time
Run time
Bunları bilmek önemli çünkü bir meslektaşınızla konuşurken Compile time’da mı hata alıyorsun yoksa link time da mı? ya da Compiler mı patlıyor linker mı? ya da Run time’da patladık abi! gibi cümleler kurabilir ya da duyabilirsiniz.
Biz derleme dediğimiz zaman aslında bu sürecin tamamından bahsediyoruz. Yani genelde Kodu derle denildiğinde Derle ama link etme denmez. Derleme sırasında hata alındığında bunun compile time hatası mı yoksa link time hatası mı olduğunu anlamak hatayı hızlı bulmak açısından faydalı olacaktır. Örneğin aşağıdaki kodu ele alalım:
1#include <stdio.h>
2
3double area2(double);
4
5void main(void) {
6 printf("Area is :%f", area2(5.5));
7}
Bu kodu gcc main.c ile derlediğimizde
/usr/bin/ld: /tmp/ccaCdmLo.o: in function `main':
main.c:(.text+0x15): undefined reference to `area2'
collect2: error: ld returned 1 exit status
hatası arlıyoruz. Bu bir link time hatası, ld de linker’ın adı aslında.
Eğer gcc -c main.c -o main.o derseniz ve linker’ın çalışmadan sürecin durmasını
sağlarsanız hiçbir hata olmadığını göreceksiniz. Kodda bir hata olsaydı fakat
bu derleme aşamasında fark edilecekti.
Şimdilik bu kadar…