为什么要先编译成目标文件？

Question

去年我开始在一所研究型大学学习Fortran编程。我的大部分经验都是在像PHP或旧版ASP这样的Web语言中，因此我对编译语句是个新手。

我正在修改两个不同的代码。

一个使用显式语句从模块创建.o文件（例如gfortran -c filea.f90）然后创建可执行文件。

另一个直接创建可执行文件（有���会创建.mod文件，但没有.o文件，例如gfortran -o executable filea.f90 fileb.f90 mainfile.f90）。

• 除了Makefiles之外，有没有其他原因使一种方法优于另一种方法？

- tomshafer

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通常我们使用obj文件来“缓存”编译结果，以便轻松重用旧的已编译代码，从而最小化编译时间。 - stefan

在这个语境中，“Code”是一个不可数名词，因此，“two codes”是不正确的。 - Lightness Races in Orbit

在物理学界中，将“code”作为可数名词用于程序和库的说法是不幸常见的用法。在该社区中很难进行更正。 - wnoise

但是我们会尝试，该死的。我们会尝试。 - AndyPerfect

哈，谢谢您的纠正。在我来这里工作之前，我从未将这些程序称为“代码”。 - tomshafer

Answer 1

首先将程序编译成目标文件，这被称为分离式编译。这样做有许多优点和一些缺点。

优点：

• 容易将目标文件(.o)转换为库文件，稍后可以链接到它们上面
• 许多人可以同时处理不同的源文件
• 编译速度更快（当源代码没有改变时，不需要反复编译相同的文件）
• 可以从不同语言源文件制作目标文件，并在以后的某个时间链接在一起。为此，这些目标文件只需使用相同的格式和兼容的调用约定即可。
• 分离式编译使系统范围的库（操作系统库、语言标准库或第三方库）可以静态或动态地分发。

缺点：

• 有一些优化（例如优化函数）是编译器无法执行并且链接器不关心的；但是，现在许多编译器都包括执行“链接时优化”的选项，这在很大程度上消除了这个缺点。但对于系统库和第三方库仍然是一个问题，特别是对于共享库（无法优化掉每次运行可能会更改的组件部分，尽管其他技术如JIT编译可以缓解这个问题）。
• 在某些语言中，程序员必须提供一些头文件以供其他人使用，并链接到该对象。例如，在C语言中，您必须提供与目标文件配套的.h文件。但这也是一个好习惯。
• 在像C或C++这样具有文本包含的语言中，如果您更改了一个函数原型，则必须在两个位置进行更改。一次在头文件中，一次在实现文件中。

- kriss

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有些链接器实际上可以在汇编级别执行内联或其他优化。 - Phil Miller

有编译器可以优化目标文件。新的VC版本可以做到这一点。尽管如此，这是一个好答案，我给你点赞。 - sbi

@ybungalobill，模板？在Fortran中？！？ - SK-logic

@Tomalak：坦白说，我不知道（真正的）编译是延迟到链接阶段还是链接器那么聪明。 - sbi

@ybungalobill，无论如何，实例化的函数模板都被标记为弱符号，并由链接器折叠。 - SK-logic

Answer 2

当你有一个由数百个源文件组成的项目时，你不希望每次更改其中一个文件时都要重新编译所有文件。通过将每个源文件编译为单独的目标文件，并仅重新编译受到更改影响的源文件，你能够在源代码更改后花费最少的时间生成新的可执行文件。

make是常用的工具，用于跟踪这种依赖关系，并在某些内容发生更改时重新生成二进制文件。通常，你设置每个源文件依赖的内容（这些依赖关系通常可以由编译器生成，并以适合make的格式呈现），然后让 make 处理创建最新的二进制文件的细节。

- Erik

Answer 3

.o文件是目标文件，它是最终程序的中间表示形式。通常情况下，.o文件包含编译后的代码，但它没有所有不同例程或数据的最终地址。在程序运行之前，需要的一个东西类似于内存映像。例如，如果您有一个主程序并调用一个例程A（这是虚假的Fortran语言，在几十年前就已经过时了，请跟我一起工作）。

PROGRAM MAIN
INTEGER X,Y
X = 10
Y = SQUARE(X)
WRITE(*,*) Y
END

然后你有平方函数。

FUNCTION SQUARE(N)
SQUARE = N * N
END

它们是单独编译的单元。当编译MAIN时，它不知道“SQUARE”在哪里，也不知道它的地址。所以当它调用微处理器的JUMP SUBROUTINE（JSR）指令时，指令需要有一个地方可以跳转。

.o文件已经包含了JSR指令，但它没有实际值。这个值在链接或加载阶段（取决于应用程序）后才会出现。

因此，MAINS .o文件具有主函数的所有代码和一系列需要解决的引用（特别是SQUARE）。SQUARE基本上是独立的，没有任何引用，但同时，它也没有存在于内存中的地址。

连接器将把所有的.o文件合并成一个可执行文件。在旧日子里，编译后的代码实际上是一个内存映像。程序将从某个地址开始，直接全部加载到RAM中，然后执行。因此，在这种情况下，你可以看到连接器将两个.o文件连接在一起（以获取SQUARE的实际地址），然后返回到MAIN中查找SQUARE引用，并填写地址。

现代连接器不会走得那么远，而是将大部分最终处理推迟到实际加载程序时进行。但概念是相似的。

通过编译为.o文件，您最终获得了可重用的逻辑单元，这些单元稍后会在链接和加载过程中组合在一起以进行执行。

另一个好处是.o文件可以来自不同的语言。只要调用机制兼容（即如何传递参数到函数和过程），那么一旦编译成.o，源语言就变得不那么重要了。您可以将C代码与FORTRAN代码链接和组合在一起。

在PHP等语言中，过程略有不同，因为所有代码都在运行时加载到单个映像中。您可以将FORTRAN的.o文件视为如何使用PHP的include机制将文件组合成一个大而完整的整体。

- Will Hartung

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非常好。这为我澄清了一些事情。希望我早点读到它。 - Noel Widmer

我想指出的是，您可以在一个gcc编译命令中结合Fortran、C、C++，甚至是Ada或Go。不确定10年前是否已经有这个功能，但这个特性并不是很新。 - Vladimir F Героям слава

Answer 4

另一个原因，除了编译时间之外，是编译过程是一个多步骤的过程。

目标文件只是这个过程中的一个中间输出。它们最终将被链接器使用，以产生可执行文件。

- Peter K.

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编译确实是一个多步骤的过程，但将汇编器、链接器和加载器包括在其中（即使明确指出）会导致关于编译器的许多误解。您图表中的唯一第一行可以归因于编译过程（即使对于某些人/编译器来说，这可能也太多了）。 - Neowizard

你似乎误解了问题。 :-) - Peter K.

这个问题与我的评论无关。我在谈论图表以及它描述编译步骤的建议。我不反对你对原始问题的回答（在我看来非常公平）。 - Neowizard

因为我认为图表带来的困惑比答案提供的信息更大，而且我在教学生时经常遇到这种错误。 - Neowizard

好的。我不同意；但你是巫师。 :-) - Peter K.

Answer 5

我们编译成目标文件，以便将它们链接在一起形成更大的可执行文件。这不是唯一的方法。

还有一些编译器不是这样做的，而是直接编译到内存中并立即执行结果。早期，当学生们必须使用大型机时，这是标准的。Turbo Pascal也是这样做的。

- Bo Persson