C语言·编译和链接

1. 翻译环境和运行环境

        在ANSI C的任何一种实现中，存在两种不同的环境

        第一种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换成可执行的机器指令

        第二种是运行环境，它用于实际执行代码

        我们知道项目中的以.c或.h为后缀的文件计算机是不认识的、无法直接运行的，所以必须要经过翻译环境的翻译，将它们翻译成二进制的文件，计算机才能认识并执行，这个二进制的文件就叫做可执行程序，其后缀是.exe

2. 翻译环境

        翻译环境中包含两大过程，分别是编译和链接，而编译又包含：预处理(预编译)、编译、汇编，三个过程

        编译就是将项目中的众多源文件(.c)放到编译器中，经过编译器一个一个的处理生成它们各自对应的目标文件(.obj)，这些目标文件再外加一个链接库，放到连接器中，最终生成一个可执行程序

        在vs环境中编译器的名字叫cl.exe 连接器的名字叫link.exe这两个文件是可以在安装了vs的电脑中找到的

        如果再将编译器展开成3个过程，那么整个过程就变成了这个样子

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称为.i为后缀的文件

        C语言中 # 开头的指令是预处理指令，比如我们熟知的 #include #define，预处理阶段基本上就是在处理这些预处理指令

        详细来说分为如下几步：

        将所有#define删除并展开所有的宏定义，就是说把那些宏定义的名称通通替换成它们所代表的东西或者说它们所代表的数值

        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

        删除所有注释，替换成一个空格

        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

2.2.1 词法分析

        将源代码程序放进扫描器，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)

2.2.2 语法分析

        接下来用语法分析器，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

        用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

        汇编器将汇编代码直接转变机器可执行的指令，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进行翻译，也不做指令优化

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能生成可执行程序

        链接的过程主要包括：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个文件、多函数之间相互调用的问题

        简单来讲链接大概是这样一个过程：

        首先我们知道一个前提：在一个项目中从另外一个文件中调用函数是需要在这个文件中声明外部函数。

        当所有.obj文件进入链接器之后首先进行符号汇总，发现每个文件中的函数名，声明函数的的函数名也会被记录。然后形成符号表，将刚才发现的函数名后面配上它们各自的地址，这一步中声明函数会分配一个虚拟的、没有意义的地址。最后进行符号决议和重定位，因为我我们之前将声明函数也当作一个正常的函数进行生成符号表，所以现在整个符号表中有重复的函数名，这一步就是将将所有重复函数名的表合并，只留下一个函数名和它的真实地址，删除那些虚拟地址所在的表

        前面我们非常简洁的讲解了C语言程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过成，但很多细节都没有展开讲解，《程序的自我修养》一书中对此有更为详细的讲解

3. 运行环境

        1.程序必须载入内存当中。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(static)内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程中一直保留它们的值

        4.终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止