C语言——编译与链接
目录
前言
1 翻译环境和运行环境
2 翻译环境
2.1 预处理
2.2 编译
2.2.1 词法分析
2.2.2 语法分析
2.2.3 语义分析
2.3 汇编
2.4 链接
3 运行环境
前言
我们写C语言代码时，会写源文件如test.c，可能会编写头文件，如test.h，这些文件里的代码都是文本信息。那么计算机能直接执行C语言代码吗？答案是不能的。计算机只能去执行二进制的指令，所以就要把C语言代码转换成二进制的指令，这就是编译器要做的工作。本文将会简要的介绍程序运行时需要经过的一些步骤，供读者参考。
1 翻译环境和运行环境
在ANSI C（标准C语言）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转换成可执行的机器指令(二进制指令)。
- 第二种是运行环境，它用于实际执行代码。
2 翻译环境
那翻译环境是怎么将源代码转换成可执行的机器指令的呢？这里就需要探究一下翻译环境所要做的事情。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、编译、汇编三个过程。
一个C语言项目可能有多个.c文件一起构建，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。
- 注意：在Windows环境下的目标文件的后缀为.obj，Linux环境下目标文件的后缀为.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（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，那就变成了如下过程 ：
2.1 预处理
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环境观察test.c文件预处理后.i文件，命令如下：
gcc test.c -E -o test.i预处理阶段主要处理源文件中#开始的预编译指令。处理规则如下：
- 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
- 处理所有#include预编译指令，包含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
- 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.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、语义分析和优化，生成对应的汇编编码文件。
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？
array[index]=(index+4)*(2+6);2.2.1 词法分析
将源代码程序输入到扫描器，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）：
| 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 |
2.2.2 语法分析
接下来的语法分析器，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。这个阶段会报告出错误的语法信息。
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 一的翻译，也不做指令化。
gcc -c test.s -o test.o2.4 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 ）
test.c:
#include <stdio.h>
extern int Add(int x, int y);
extern int n;
int main()
{int a = 10;int b = 20;int sum = Add(a, b);printf("%d\n", sum);return 0;
}add.c:
int n = 2025;
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n变量。 我们在 test.c 文件中每⼀次使用 Add 函数和n变量时必须确切的知道它们的地址，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n 变量的地址，所以暂时把调用 Add 的指令的目标地址和n的地址搁置。 等待最后链接的时候由编译器根据引用的符号 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n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。
前面知识简单介绍一个C程序如何编译和链接，到最终生成可执行程序，很多细节没有展开说明，具体可以看《程序的自我修养》一书来详细了解。
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。
- 程序的执行便开始。接着便调用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的堆栈，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（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。
- 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。
以上就是有关C程序编译与链接的一些介绍，如果这篇文章对你有用，可以点点赞哦，你的支持就是我写下去的动力，后续会不断地更新知识。