C语言：编译与链接

C语言：编译 & 链接

- 环境
- - 翻译环境
- 编译
- - 预处理
  - 编译
  - 汇编
- 链接

环境

对C语言而言，生成程序的过程中存在两种环境：翻译环境与运行环境。

翻译环境

在翻译环境中，源代码会被转化为可执行的机器指令。这个过程会分为编译与链接两大步。
在这里插入图片描述
其中，编译分为：预处理，编译，汇编三个小步骤。而链接则是将多个.c文件与链接库进行链接，从而生成可执行程序。链接库，可以简单理解为库函数存储的地方，比如printf就需要链接到外部的库函数。

整体关系如下：
在这里插入图片描述

接下来我们再细致地讲解编译与链接。

编译

编译分为：预处理，编译，汇编三小步，接下来我们看看每一个阶段都什么功能。

预处理

在预处理阶段，源⽂件.c和头文件.h会被处理成为.i为后缀的⽂件

那么这个阶段完成了什么功能呢？我们看到.c与预处理后的.i文件区别：
在这里插入图片描述
左侧是预处理前的代码，右侧是预处理后的代码。

左侧代码的main函数从第5行开始，右侧则是从841行开始。这说明前面多了八百多行代码，这是因为预处理阶段将头文件展开了。
左侧代码第3行的#define消失了，右侧的M都被替换为了100，说明预处理阶段会删除#define指令，并执行宏的替换。
左侧代码第13行的注释消失了，这说明预处理阶段会删除注释代码。

综上，预处理阶段会发生以下操作：

将头文件展开
删除#define指令，并执行宏的替换
删除注释代码

另外的，还会执行其它操作：

处理条件编译
添加行号与文件名表示，方便后续生成调试信息

编译

在编译阶段，.i会被处理成为.s为后缀的⽂件

编译过程，又会被细分为三个小过程：词法分析，语法分析，语义分析

以以下代码为例：

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

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）

以上代码会被分析为以下表格：
在这里插入图片描述
可以看到，每一个符号都被拆分了出来，并且判断了这个符号的语义。

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。
在这里插入图片描述

在这个树中，每个表达式都分出了子树，子树是符号，那么就是叶子节点。如果是表达式，则再拆分为子树，以此类推。

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。
在这里插入图片描述

汇编

在汇编阶段，.s会被处理成为.o为后缀的⽂件

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，不做指令优化。

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

假设我们有以下文件：

test.c：

#include <stdio.h>extern int Add(int x, int y);
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;
}

经过前面的步骤，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。
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。