C编译链接——从代码到可执行程序的蜕变之路

       计算机其实是比较笨的，它能够识别的只有01序列。也许有人说，不会啊，明明计算机可以帮助我们做很多事情的呀。

       这就要说到计算机行业必不可少的职业：程序员。

       其实我们通常使用计算机来浏览网页、玩游戏等等功能的实现，都离不开程序员手里的代码。举个例子，比如很多人都玩过的电脑小游戏——扫雷。对于计算机使用者来说，只需要打开界面，就可以开始游戏了。而对于程序员来说，首先要分析这个游戏的逻辑关系以及它的玩法，分析清楚之后，使用编译器来编写实现这个游戏的代码，然后在编译器环境下，编译链接生成可执行程序——也就是计算机能够识别的01序列，再经过后期界面设计等环节，扫雷游戏就可以投入使用了。那么，从源代码到计算机能够识别的01序列阶段，到底发生了什么样的进化呢？

       我们上课时，常常听到老师讲“我们以前学习编代码的时候，都是在纸带打点，根据有点没点来判断是0是1 ”。随着计算机的更新换代，也有老师说“我们当时学习编代码的时候，都是汇编指令操作”。到现在，我们使用的都是C语言等高级语言，所谓高级语言，就是计算机替我们做了从源代码到01序列的转化。

       下面我们来看一下详细的转化过程：

       1. 预处理。即预编译，在预处理过程中，主要实现宏替换、去注释、头文件展开以及条件编译的功能。

       我们先来看一个简单的C代码：

#include
#define DEBUG 
#define M 5
int main()
{
	int num = 5;
#ifdef DEBUG    //条件编译
	printf("%d  %d\n", M, num);
#endif
	return 0;
}

       这个代码中，是头文件，其次，定义了两个宏，其中宏DEBUG没有赋值。接着，#ifdef是条件编译，以#endif结尾，意思是，如果宏DEBUG被定义，那么打印printf函数里的内容。//是注释。我们来在CenTOS环境下看一下预编译后的程序：

                                   

       在这里，大家可以看到，与源代码相比，头文件被展开；由于宏DEBUG被定义，所以条件编译执行；而代码中的宏M被5所替换，这就是宏替换；原先在代码中的注释也被去掉了。

       2. 编译。 源代码经过解析，判断它的语句的意思。在这个阶段产生绝⼤多数的错
误和警告 。然后程序被翻译成汇编代码，再到目标代码（这里目标代码显示为16进制）。下面是汇编代码和目标代码：

                                              

                                               

 

     3. 链接。 每个目标文件代码经过链接 捆绑在⼀起，形成⼀个单⼀而完整的
可执行程序。同时，链接器也会引入标准 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。在这个程序中，只有一个目标文件，C函数库中要用到的函数是printf。

                

              上图就是链接后生成的完整可执行程序的16进制序列。

       上面三个过程我们一般统称为源代码的翻译过程。但是我们编写代码的目的并不是要翻译他，而是要让他来达到我们使用的目的，那么就需要运行的结果，所以 除此之后，还有一个执行过程。

       执行过程大致分为以下四步：

       1. 程序载入内存。在冯诺依曼体系结构当中，计算机被分为五大构件，即输入、输出，存储器、运算器和控制器，其中运算器和控制器是CPU的核心部件。各部件运作关系如下图：

       大家可以看到，输入单元写入内容后必然要先载入内存，然后传到CPU，经过CPU处理后再次传入内存进行输出，也就是说，内存是连接输入输出的一个桥梁。 我们使用的编译器相当于输入单元，那么同样的，代码必须先载入内存，才能进行处理运算输出。 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. 程序开始执行。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。

       如有错误，欢迎指出，一起交流学习！