C语言：编译和链接

前言

在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

• 第1种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令（二进制指令）。
• 第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

  

  目录

  • 1.翻译环境
  • • 1.1 预处理（预编译）
    • 1.2 编译
    • • 1.2.1词法分析：
      • 1.2.2 语法分析
      • 1.2.3 语义分析
      • 1.3 汇编
      • 1.4 链接
      • 2.运行环境

        1.翻译环境

        那翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲解一下翻译环境所做的事情。

        其实翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成的，而编译又可以分解成：预处理（有些书也叫预编译）、编译、汇编三个过程。

        

        一个C语言的项目中可能有多个 .c 文件一起构建，那多个 .c 文件如何生成可执行程序呢？

        • 多个.c文件单独经过编译器，编译处理生成对应的目标文件。
        • 注：在Windows环境下的目标文件的后缀是 .obj ，Linux环境下目标文件的后缀是 .o
        • 多个目标文件和链接库一起经过链接器处理生成最终的可执行程序。
        • 链接库是指运行时库(它是支持程序运行的基本函数集合)或者第三方库。

          如果再把编译器展开成3个过程，那就变成了下面的过程：

          

          1.1 预处理（预编译）

          在预处理阶段，源文件和头文件会被处理成为.i为后缀的文件。

          在 gcc 环境下想观察一下，对 test.c 文件预处理后的.i文件，命令如下：

          gcc -E test.c -o test.i
          

          预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令。比如：#include,#define，处理的规则如下：

          • 将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义。
          • 处理所有的条件编译指令，如： #if、#ifdef、#elif、#else、#endif 。
          • 处理#include 预编译指令，将包含的头文件的内容插入到该预编译指令的位置。这个过程是递归进行的，也就是说被包含的头文件也可能包含其他文件。
          • 删除所有的注释
          • 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。
          • 或保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使用。

            经过预处理后的.i文件中不再包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含的头文件都被插入到.i文件中。所以当我们无法知道宏定义或者头文件是否包含正确的时候，可以查看预处理后的.i文件来确认。

            1.2 编译

            编译过程就是将预处理后的文件进行一系列的：词法分析、语法分析、语义分析及优化，生成相应的汇编代码文件。

            编译过程的命令如下：

            gcc -S test.i -o test.s
            

            对下面代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面的代码

            array[index] = (index+4)*(2+6);
            

            1.2.1词法分析：

            将源代码程序被输入扫描器，扫描器的任务就是简单的进行词法分析，把代码中的字符分割成一系列的记号（关键字、标识符、字面量、特殊字符等）。

            上面程序进行词法分析后得到了16个记号：

            记号	类型
            array	标识符
            [	左方括号
            index	标识符
            ]	右方括号
            =	赋值
            (	左圆括号
            index	标识符
            +	加号
            4	数字
            )	右圆括号
            *	乘号
            (	左圆括号
            2	数字
            +	加号
            6	数字
            )	右圆括号

            1.2.2 语法分析

            接下来语法分析器，将对扫描产生的记号进行语法分析，从而产生语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。

            

            1.2.3 语义分析

            由语义分析器来完成语义分析，即对表达式的语法层面分析。编译器所能做的分析是语义的静态分析。静态语义分析通常包括声明和类型的匹配，类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息。

            

            1.3 汇编

            汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的指令，每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表一一的进行翻译，也不做指令优化。

            汇编的命令如下：

            gcc -c test.s -o test.o
            

            1.4 链接

            链接是一个复杂的过程，链接的时候需要把一堆文件链接在一起才生成可执行程序。

            链接过程主要包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等这些步骤。

            链接解决的是一个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题。

            比如：

            在一个C的项目中有2个.c文件（ test.c 和 add.c ），代码如下：

            

            //text.c
            #include 
            //声明外部的全局变量
            extern int gab_l;
            //声明外部函数
            extern int ADD(int, int);
            int main()
            {
            	int a = 10;
            	int b = 20;
            	printf("%d\n", ADD(a, b));
            	printf("%d\n", gab_l);
            	return 0;
            }
            //ADD.c
            int gab_l = 88;
            int ADD(int x, int y)
            {
            	return x + y;
            }
            

            我们已经知道，每个源文件都是单独经过编译器处理生成对应的目标文件。

            test.c 经过编译器处理生成 test.o

            ADD.c 经过编译器处理生成 ADD.o

            我们在 test.c 的文件中使用了 ADD.c 文件中的 ADD 函数和 gab_l 变量。

            我们在 test.c 文件中每一次使用 ADD 函数和 gab_l 的时候必须确切的知道 ADD 和 gab_l 的地址，但是由于每个文件是单独编译的，在编译器编译 test.c 的时候并不知道 ADD 函数和 gab_l变量的地址，所以暂时把调用 ADD 的指令的目标地址和 gab_l 的地址搁置。等待最后链接的时候由链接器根据引用的符号 ADD 在其他模块中查找 ADD 函数的地址，然后将 test.c 中所有引用到ADD 的指令重新修正，让他们的目标地址为真正的 ADD 函数的地址，对于全局变量 gab_l 也是类似的方法来修正地址。这个地址修正的过程也被叫做：重定位。

            2.运行环境

            1. 程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中：一般这个由操作系统完成。在独立的环境中，程序的载入必须由手工安排，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。
            2. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。
            3. 开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈（stack），存储函数的局部变量和返回地址。程序同时也可以使用静态（static）内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程一直保留他们的值。
            4. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

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            讲到这里，相信你一定了解了C语言程序到底是怎么一步步执行的了趴！如果对你有所帮助的话，记得给博主一键三连哟，谢谢宝子们的支持💕！