C语言—程序的编译和链接

1. 翻译环境和运行环境

在ANSI S的任何一种实现中，存在两个不同的环境

第一种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令（二进制指令）

第二种是执行环境，它用于实际执行代码

2. 翻译环境

 翻译环境是由编译和链接两大过程组成，而编译又可以分解成：预处理（或者叫做预编译）、编译、汇编三个过程。

例子：（上述图形的实际例子）

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>

//声明外部函数
extern int Add(int x, int y);
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = Add(a, b);
	printf("%d\n", c);
	return 0;
}

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文件单独经过编译器，编译处理生成对应的目标文件

-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（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为.i为后缀的文件。

在gcc环境下观察一下对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#中开始的预编译指令。比如：#include，#define，处理规则如下：

-将所有的#define删除，并展开所有的宏定义。

-处理#include预编译指令，将包含的头文件的内容插入到该编译指令的位置。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、语义分析以及优化，生成相应的汇编代码文件。

汇编过程的命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

对下面的代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设下面有代码

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）。

上述的代码进行词法分析后得到了16个记号：

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

有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含声明和类型的匹配，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，符号决议和重定义等这些步骤。

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。

例如：

在一个C项目中有两个.c文件，分别如下：

由之前说的我们可知道，每一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文件经过编译器生成test.o

add.c经过编译器生成add.o

我们在test.c中使用了add.c中的Add函数

我们在test.c文件中每一个使用Add函数的时候必须要有其函数的地址，但是由于每个文件都是单独编译的，在编译器编译test.c的时候并不知道Add函数的地址，所以会暂时把调用Add的指令的目标地址搁置。

等待最后链接的时候由连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，使其暂时搁置的地址变为Add真正的地址。这个地址修正的过程就叫做重定义

不止Add函数这种可以，关于add.c中全局变量的使用也同样如此。

如下是关于上述讲的一些小整合：

3.运行环境

-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，也可以是通过可执行代置入只读内存中来完成。

-程序的执行便开始。接着开始调用main函数。

-开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈，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。

-终止程序。正常终止main函数，或者也有可能意外出现错误终止。