C语言可执行程序到底怎样生成？

news2024/11/18 20:02:50

程序的翻译环境

NO1.VS编译器工具

NO2.VS链接器工具

NO3.链接库是什么？

编译

预处理

编译

汇编

链接

程序的执行环境

C语言的程序到底是怎样生成的呢？又怎样去执行呢？我们来探索。本篇是讲解编译环境。

在ANSI C（标准C语言）的任何一种实现中，存在两个不同的环境。第一种是翻译环境，在这个环境中源代码.c被转换为可执行的机器指令.exe，第二种是执行环境,它用于实际执行代码。

test.c----->test.i------->test.s----->test.obj----->test.exe

程序的翻译环境

程序的翻译环境同时又分为两个阶段编译和链接

组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。
每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。
链接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中。
在windows环境下，生成相应的目标文件test.obj
在Linux环境下，生成的目标文件是test.o
test.c源文件---------->test.obj目标文件+链接库------------>test.exe可执行程序

理解图：

以我们的VS编译器为例子。编译和链接依赖的是什么工具呢？

NO1.VS编译器工具

那在我们的VS2022集成开发环境下，VS依赖就是cl.exe这个工具去实现编译这项功能。
在windows环境下，生成相应的目标文件test.obj
在Linux环境下，生成的目标文件是test.o

NO2.VS链接器工具

VS2022集成开发环境下，VS依赖就是cl.exe这个工具去实现链接这项功能。
在不同的编译环境下，标准库中的实现肯定是有差异的。

NO3.链接库是什么？

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("hehe\n");
	return 0;
}

例如像上面的#include<stdio.> printf库函数我们就直接使用，是因为放在了链接库中直接供给我们使用。标准库中提供的现成的库函数都是以链接库的形式给我们提供的。

编译

其实编译本身也分为几个阶段：预编译(预处理) 编译汇编 这三个阶段。我们接下来分别探索一下这三个阶段分别干了什么事情。我们整个过程都在： Linux环境下，使用gcc编译器去验证整个过程。test.c------->test.i--------->test.s----->test.o(test.obj)

具体要用到的指令：

预处理选项 gcc -E test.c -o test.i 预处理完成之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在test.i文件中。
编译选项 gcc -S test.c 编译完成之后就停下来，结果保存在test.s中。
汇编 gcc -c test.c 汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。

预处理

我们想要展示一个预处理的效果，那我们希望预处理之后这个代码就不会往后继续执行了。这里我们要用到一个gcc的指令： -E test.c / test.c -E（预处理之后test.c代码不会往后继续执行）

在我们VS验证之后我们发现我们预处理的文件名为test.i 所以这里在Linux环境下，我们使用gcc指令：-o test.i (把test.c预处理完之后的文件命名为test.i，如果没有指定就直接打印在屏幕上了）

在观察了test.c和test.i两个文件差异我们发现预处理对源代码做了一些文本操作处理的。

注释的替换（删除）。注释被替换成一个空格
头文件的包含#include< >
#define符号的替换
#include和#define这种都是预处理指令。所有的预处理指令都在预处理阶段处理的。

在我们的下篇博客我们也会详细去讲到预处理这个阶段的知识点。

注释的删除

头文件的包含

编译

来到我们的编译阶段，我们想要展示一个编译的效果，那我们希望编译之后这个代码就不会往后继续执行了。这里我们要用到一个gcc的指令： -S test.i / test.i -S（编译之后test.i代码不会往后继续执行）

同时我们也可以使用gcc指令：-o test.s (把test.i编译完之后的文件命名为test.s，如果没有指定也会生成test.s）

我们发现test.s里面放置的都是汇编代码。其实编译的过程就是：把C语言代码翻译成了汇编代码。这个过程是非常非常复杂的。简单来说，编译这个过程包含：

语法分析
词法分析
语义分析
符号汇总

汇编

到这里，汇编语言依旧不能被我们计算机读懂，汇编语言必须经过汇编器转化成二进制指令，才能被计算机读懂。

我们想要展示一个汇编的效果，那我们希望汇编之后这个代码就不会往后继续执行了。这里我们要用到一个gcc的指令： -c test.s / test.s -c（汇编之后test.s代码不会往后执行）

同时我们也可以使用gcc指令：-o test.o(test.obj) (把test.s汇编完之后的文件命名为test.o，如果没有指定也会生成test.o）

我们发现test.o里面放置的都是二进制信息代码。其实汇编的过程就是：把汇编代码翻译成二进制指令（目标文件）。到此为止，计算机看得懂了。

生成符号表

链接

现在我们的目标文件test.obj 在gcc指令下：gcc test.o(test.obj) -o test.c(test.exe) (把test.o链接完之后的文件命名为test.c，如果没有指定也会生成test.c(其实就是test.exe可执行程序）

链接目标文件obj和链接库生成可执行程序（二进制程序）
合并段表
合并符号表和符号表的重新定位

程序的执行环境

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。
程序的执行便开始。接着便调用main函数。
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。
终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

【推荐书籍】《程序员的自我修养》