【C语言进阶】编译和链接

引言

介绍编译和链接相关知识，计算机如何识别我们的代码，如何将我们的代码转化为计算机可执行程序。 

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               所属专栏：《C语言进阶》

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目录

翻译环境和运行环境

翻译环境

预编译（预处理）

编译

词法分析

语法分析

语义分析

汇编

链接

运行环境

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翻译环境和运行环境

机器并不能直接地读我们写的代码，所以一个程序的实现会经过两个环境，一个是翻译环境，另一个是运行环境。

翻译环境将代码翻译成机器能够看得懂的二进制程序，也就是可执行程序（.exe为后缀的程序文件）。

运行环境就是将已经生成的.exe文件进行运行，然后产生结果。

         

翻译环境

翻译环境分为编译和链接两个大步骤：编译先将.c为后缀的源文件通过编译器生成目标文件（.obj为后缀的目标文件），链接就是将目标文件（.obj为后缀）通过链接器转化为可执行程序（.exe为后缀）。

编译又会分为3个步骤：预编译（预处理）、编译和汇编。

         

预编译（预处理）

预编译阶段，代码文件会被处理成.i为后缀的文件。

我们可以通过gcc环境，来观察test.i的文件，生成命令：

gcc -E test.c -o test.i

预处理阶段主要处理源文件中#开头的预编译命令。下面是处理的规则：

• 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。
• 添加行号和文件名表示，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。

        

编译

编译过程：词法分析、语法分析、语义分析及优化。编译会将原来预编译生成的.i后缀的文件处理为.s为后缀的汇编代码文件。

编译过程的命令：

gcc -S test.i -o test.s

以下面的代码为例，将编译过程进行分析：

arrqy[index] = (index+4)*(2+6);

         

词法分析

源代码程序会经过扫描器，扫描器作用就是进行词法分析，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）。

上面的程序进行词法分析后得到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
*	乘号
(	左圆括号
2	数字
+	加号
6	数字
)	右圆括号

         

语法分析

代码已经经过扫描器进行字符的分割，接下来会进入语法分析器，对内容进行语法分析，从而产生语法树。语法树是以表达式为节点的树。

        

         

语义分析

由语义分析器来完成语义分析，就是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。

         

汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的指令，也就是是二进制指令，文件由.s为后缀文件转化为.o为后缀的目标文件。

汇编的命令：

gcc -c test.s -o test.o

         

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。

练就解决的是一个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题。

        

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。接着变调用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。