【C语言】：编译与链接

目录

• 前言
• 1. 翻译环境与运行环境
• 2.翻译环境：预编译+编译+汇编+链接
• 3. 运行环境

  前言

  我们写一个程序，例如test.c或是test.h这些源文件，头文件，事实上这些代码都是文本文件，但是计算机能够看得懂，并且直接执行这些C语言代码吗？答案是不能。计算机能够执行的是二进制指令。 所以文本文件需要通过编译，链接等一系列处理变成二进制文件。

  实际上计算机的编译和链接是一个十分复杂的过程，这篇文章只是非常简洁的讲解了一个C的程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过程，其实很多

  内部的细节无法展开讲解。如果你有兴趣，可以看 《程序的自我修养》 一书来详细了解

  1. 翻译环境与运行环境

  1.翻译环境与运行环境

  在ANSI C（美国国家标准协会制定的C标准）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。

  

  2.翻译环境：预编译+编译+汇编+链接

  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：

    由于这些过程需要用gcc才能更好的拆解调试，此处就不做具体调试说明。

    

    2.1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。

      2.2 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);
      

      2.2.1 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：

      

      2.2.2 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。

      

      2.2.3 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。

      

      2.3 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
      

      上面的过程步骤如下：

      

      2.4 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：

      

      test.c

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

      add.c

      int g_val = 2022;
      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 g_val 变量。

      我们在 test.c ⽂件中每⼀次使⽤ Add 函数和 g_val 的时候必须确切的知道 Add 和 g_val 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 g_val变量的地址，所以暂时把调⽤ Add 的指令的⽬标地址和 g_val 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 g_val 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。

      链接过程大致如下：

      

      3. 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。