【C语言】详解编译和链接

1.翻译环境和运行环境

在ANSIC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
• 第2种是执行环境，它用于实际执行代码

2.翻译环境

翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？
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文件单独经过编译出编译处理生产对应的目标文件
• 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：

2.1预处理

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。
编译过程的过程如下：

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

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

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（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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   完