C/C++——程序实现过程之编译、链接和执行

从写一个简单的“hello world！”到完成一个大型程序，当程序从编辑完成到执行成功都会经过5个步骤，分别是预处理（Prepressing）、编译（Compilation）、汇编（Assembly）、链接（Linking）和执行（Executing）。了解这五个过程中所做的工作，对我们理解头文件、库文件等在程序中的作用是有帮助的，而且如果能够清楚的了解编译链接过程，在编程时定位错误，纠正错误，以及编程时手动调整编译器以通过调试有很大帮助。

 

1.     预处理

      预处理器，进行预处理。预处理过程主要处理那些源代码文件以“#”开始的预编译指令。比如“#include”、“#define”和条件预编译指令，如“#if”、“#ifdef”等。预处理时，将所有的“#define”删除，展开所有的宏定义，并且替换掉“#include”。

(1)宏定义指令，如#define a b。对于这种伪指令，预编译所要做的是将程序中的所有a用b替换，还有#undef，则将取消对某个宏的定义，使以后该串的出现不再被替换。

(2)条件编译指令，如#ifdef，#ifndef，#else，#elif，#endif等。这些伪指令的引入使得程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。预编译程序将根据有关的文件，将那些不必要的代码过滤掉。

(3) 头文件包含指令，如#include"FileName"或者#include等。两者的区别是：系统提供的头文件包含用尖括号，系统直接去系统目录查找文件；自己写的用双引号，系统从工程目录中查找，如果没有再去系统目录查找文件。在头文件中一般用伪指令#define定义了大量的宏(最常见的是字符常量)，同时包含有各种外部符号的声明。采用头文件的目的主要是为了使某些定义可以供多个不同的源程序使用。因为在需要用到这些定义的源程序中，只需加上一条#include语句即可，而不必再在此文件中将这些定义重复一遍。预编译程序将把头文件中的定义统统都加入到它所产生的输出文件中，以供编译程序对之进行处理。

预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代，生成一个没有宏定义、没有条件编译指令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的，但内容有所不同，经过预编译后产生完整的源文件，将此文件作为编译程序的输入而被翻译成为机器指令。

 

2.     对源程序进行编译

经过预编译得到的输出文件中，只有常量；如数字、字符串、变量的定义，以及C语言的关键字等。编译过程就是把预处理完的文件进行一系列的词法分析、语法分析、语义分析以及优化后产生相应的汇编代码文件，这个过程是整个程序构建的核心部分，也是最复杂的部分之一。为了使计算机能执行高级语言源程序，必须先用一种称为“编译器(complier)”的软件(也称编译程序或编译系统)。编译是以源程序文件为单位单别编译的，头文件不参加编译。（在VC6.0里如果编译头文件则会弹出没有可以工具函数，在VS2013中，对于头文件，编译按钮为灰色，不可用状态。）

现在编译器种类很多，不同编译器区别在于对编译过程做了优化，添加了一些库函数或类库。优化处理是编译系统中一项比较艰深的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关，而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。对于前一种优化，主要的工作是删除公共表达式、循环优化(代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等)、复写传播，以及无用赋值的删除，等等。后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关，最主要的是考虑是如何充分利用机器的各个硬件寄存器存放的有关变量的值，以减少对于内存的访问次数。另外，如何根据机器硬件执行指令的特点(如流水线、RISC、CISC、VLIW等)而对指令进行一些调整使目标代码比较短，执行的效率比较高，也是一个重要的研究课题。

编译技巧：编译的作用是对源程序进行词法检查、语法检查和中间代码生成。编译时对文件中的全部内容进行检查，如果有语法错误，编译结束后会显示出所有的编译出错信息，开发人员可以根据错误提示修改程序。对于新写的一个保护多个文件的工程，一开始采用源文件分别编译，这样容易发现每个源文件的自身错误，限定了错误的范围，如果一开始就采用全部编译，多个源文件可能会产生许多错误，无形中增加了开发难度。如果每个源文件都通过了编译，再将所有文件进行编译。对源文件分别编译对于调试，纠错是一种很好的方法。

 

3.     汇编

汇编实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。汇编器的编译过程相对于编译器来讲比较简单，它没有复杂的语法，也没有语义，也不需要做指令优化，只是根据汇编指令和机器指令的对照表一一翻译。对于被翻译系统处理的每一个语言源程序，都将最终经过这一处理而得到相应的目标文件。目标程序一般以.obj或.o作为后缀，这具体看操作系统，如Windows是下是.obj目标文件，Linux下是.o目标文件。目标文件中所存放的也就是与源程序等效的目标机器语言代码。

有时候我们也将预编译、编译和汇编统称为编译。

 

4.     将目标文件连接

前面提到过，编译是对源文件分别进行的，每个源文件都产生一个目标文件。但由汇编程序生成的目标文件并不能立即就被执行，因为各个源文件之间可能是有相互联系的，例如，某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号(如变量或者函数调用等)；在程序中可能调用了某个库文件中的函数，等等。所有的这些问题都需要经链接解决，即将源程序产生的多个目标文件链接为一个整体。即通过系统提供的“连接程序(linker)”将一个程序的所有目标程序和系统的库文件以及系统提供的其他信息连接起来，最终形成一个可执行的二进制文件，它的后缀是.exe，此时产生了完整的执行文件。

链接程序的主要工作就是将有关的目标文件彼此相连接，如源文件产生的目标文件和库文件等，使得所有的这些目标文件成为一个能够被操作系统装入执行的统一整体。根据指定的库函数的不同，链接处理可分为两种：

(1)静态链接：在这种链接方式下，函数的代码将从其所在地静态链接库中被拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合，其中的每个文件含有库中的一个或者一组相关函数的代码。

(2)动态链接：此种方式下，函数的代码被放到称作是动态链接库或共享对象的某个目标文件中。链接程序此时所作的只是在最终的可执行程序中记录下共享对象的名字以及其它少量的登记信息。在此可执行文件被执行时，动态链接库的全部内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。

对于可执行文件中的函数调用，可分别采用动态链接或静态链接的方法。使用动态链接能够使最终的可执行文件比较短小，并且当共享对象被多个进程使用时能节约一些内存，因为在内存中只需要保存一份此共享对象的代码。但并不是使用动态链接就一定比使用静态链接要优越。 

链接将相关关联文件链接起来，所以这个阶段的错误不好调试，发生错误可能在我们自己编写的代码中，也有可能是与别的文件关联产生的，对于因关联产生错误就比较复杂了，有时需要调整编译器或链接器。

 

5.     运行程序

运行阶段就比较简单了，直接执行前面链接过程产生的可执行的二进制文件(.exe文件)即可得到运行结果。通过对运行结果的分析，检验设计的程序是否满足期望和要求。如果运行结果不正确，应检查程序或算法，重新编辑代码。

        上述全过程可用下图表示：

 

 

 

参考文献：

http://blog.chinaunix.net/uid-26548237-id-3839979.html

http://zhidao.baidu.com/link?url=tP_9JBtYigC_L3awSSYD4pwayXyXZU72dBoYDgy_0H-cuIVBQXCLnXf4FCZIzAVT81Hw8wpJUzEVBIEaTMfTYa

http://blog.csdn.net/pangguanzhe1314/article/details/8609560