【C语言进阶篇】编译和链接

🥕个人主页：开敲🍉

🔥所属专栏：C语言🍓

🌼文章目录🌼

编译环境与运行环境

  1. 翻译环境

  2. 编译环境：预编译（预处理）+编译+汇编+链接

      2.1 预处理（预编译）

    2.2 编译

       2.2.1 词法分析

       2.2.2 语法分析

       2.2.3 语义分析

  2.3 汇编

  2.4 链接

3. 运行环境

编译环境与运行环境

  在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

  1. 翻译环境

  那么翻译环境是怎么将源代码转换城可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲讲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，而编译由可以分解成：预处理（预编译）、编译、汇编三个过程。

  一个C语言程序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？

  ①  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。

  ② 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。

  ③ 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。

  ④ 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：

  2. 编译环境：预编译（预处理）+编译+汇编+链接

      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为.i为后缀的文件。

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

1  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：

  ①  将所有的#define删除，并展开所有的宏定义。

  ②  处理所有的条件编译指令，如：#if、#iddef、#elif、#else、#endif。

  ③  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头文件。注：#define的包含不属于递归。

  ④  删除所有的注释（这也就说明注释不是给机器看的，而是给程序员看的）

  ⑤  添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。

  ⑥  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文件不再包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含的头文件被插入到.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如下：

1  gcc  -S  text.i  -o  test.s

  对下面的代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面代码

1  arry[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）。

  上面的程序进行词法分析后得到了16个记号：

       2.2.2 语法分析

  然后是语法分析器，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。这个阶段会报告的错误语法信息。

  2.3 汇编

  汇编器是将汇编代码转变成机器的可执行指令，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编译，也不做指令优化。

汇编的命令如下：

1  gcc  -c  test.s  -o  test.o

  2.4 链接

 ①  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能生成可执行程序。

 ②  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。

 ③  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（text.c 和 add.c），代码如下：

我们知道，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，所以暂时把调用的Add的指令的目标地址目标地址和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：重定义。

  前面我们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。比如：目标文件的格式elf，链接底层实现中的空间与地址分配，符号解析和重定位等，如果你有兴趣，可以看《程序员的自我修养》——书来详细了解。

3. 运行环境

  ①  程序必须载入内存中。也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（staic）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；也有可能意外终止。

                                              创作不易，点个赞呗，蟹蟹啦~