编译和链接（你真的了解符号决议和重定位吗？）

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引言

在ANSI C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，用于源代码被转换为可执行的机器指令。
• 第2种是执行环境，用于实际执行代码。

一、翻译环境

那么源代码是如何一步步转换为机器指令的呢？其实分为两个大的部分：编译和链接，而编译又分为三个小的部分：预处理、编译、汇编。

1.1 预处理

预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令，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。
• 保留#pragma的编译指令，编译器后续会使用。

1.2 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。

以下列代码为例，讲解每个过程的分析

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

1.2.1 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）

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
…	…

1.2.2 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。

1.2.3 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。

同时，在编译阶段进行符号汇总。就是把所有文件中的符号（函数名，变量名等）都记录下来。

1.3 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进行翻译，也不做指令优化。

同时，在汇编阶段形成符号表。就是把汇总的符号与其地址相对应，记录在一个表格中。

预处理

编译

汇编

源代码

源代码

汇编代码

二进制指令

1.4 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。

假设现在有两个文件：
add.c

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

test.c

#include 
//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;
}

那么，在链接的过程中，查找符号表发现add.c和test.c都有Add函数和g_val变量，这时候就会符号决议和重定位，将两份地址合成一份真正的实际地址（也就是add.c中实际定义的地址）。

这样，所有引用Add和g_val的地方都可以通过重定位的地址找到真正定义的地址。

二、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. 程序的执行开始便调用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。

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