C语言从入门到实战——编译和链接

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前言

在C语言中，编译和链接是将源代码转换为可执行文件的两个主要步骤。

编译过程包括以下步骤：

1. 预处理：将源代码中的预处理指令（如#include和#define）替换为实际的代码。
2. 编译：将预处理后的代码转换为汇编语言。
3. 汇编：将汇编语言转换为机器码指令。

链接过程包括以下步骤：

1. 目标文件生成：将每个源文件编译后生成的目标文件（.o或.obj）进行合并，生成一个总的目标文件。
2. 符号解析：查找并解析目标文件中的所有符号（例如全局变量和函数名），以确保每个符号都有一个唯一的地址。
3. 地址重定位：根据符号表中符号的地址信息，将目标文件中的所有地址引用进行重定位，使它们指向正确的地址。
4. 符号解析和重定位完成后，将链接后的目标文件与标准库和其他库文件进行链接，生成最终的可执行文件。

在编译和链接过程中，可以使用不同的编译器和链接器来完成这些步骤。常见的C语言编译器包括GCC、Clang和MSVC等，而常见的链接器包括GNU ld和Microsoft Linker等。

编译器和链接器的具体命令和选项可以根据不同的平台和编译环境而有所不同，可以通过编译器和链接器的帮助文档或命令行参数来了解更多信息。

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一、 翻译环境和运行环境

ANSIC是一种计算机编程语言，全称为American National Standard Institute C。它是C语言的一个标准化版本，于1989年被美国国家标准学会（ANSI）采纳为正式的国家标准。ANSIC在C语言的基础上进行了一些改进和扩展，增加了一些新的特性和功能，提高了代码的可读性和可靠性。ANSIC的标准化使得不同厂商的编译器能够遵循相同的规范，从而实现了C语言的跨平台性和移植性。

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。

二、 翻译环境

那翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲解一下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（预编译）

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入件中。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。

编译过程的命令如下：

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：

记号	类型
array	标识符
[	左方括号
index	标识符
]	右方括号
=	赋值
（	左圆括号
index	标识符
+	加号
4	数字
）	右圆括号
2	数字
+	加号
6	数字
）	右圆括号

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。

比如：在一个C的项目中有2个.c文件（ test.c 和 add.c ），代码如下：

test.c

#include 
//test.c
//声明外部函数
extern int Add(int x, int y);
//声明外部的全局变量
extern int g_val;
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int sum = Add(a, b);
	printf("%d\n", sum);
	return 0;
}

add.c

int g_val = 2022;
int Add(int x, int y)
{
	return x+y;
}

我们已经知道，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 经过编译器处理生成 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，在编译器编译 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Add 的指令的目标地址和 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 函数的地址，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：重定位。

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《程序的自我修养》一书来详细了解。

三、 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。