【C语言进阶篇】编译和链接

【C语言进阶篇】编译和链接

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🌼文章目录🌼

编译环境与运行环境

1. 翻译环境

2. 编译环境：预编译（预处理）+编译+汇编+链接

2.1 预处理（预编译）

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

编译环境与运行环境

在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

1. 翻译环境

那么翻译环境是怎么将源代码转换城可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲讲翻译环境所做的事情。

其实翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成的，而编译由可以分解成：预处理（预编译）、编译、汇编三个过程。

一个C语言程序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？

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 链接库是指运行时库（它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. 编译环境：预编译（预处理）+编译+汇编+链接

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环境下想观察一下，对text.c文件预处理后的.i文件，命令如下：

1 gcc -E test.c -o test.i

预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令。比如：#include ，#define，处理的规则如下：

① 将所有的#define删除，并展开所有的宏定义。

② 处理所有的条件编译指令，如：#if、#iddef、#elif、#else、#endif。

③ 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头文件。注：#define的包含不属于递归。

④ 删除所有的注释（这也就说明注释不是给机器看的，而是给程序员看的）

⑤ 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。

⑥ 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文件不再包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含的头文件被插入到.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、语义分析及优化，生成相应的汇编代码如下：

1 gcc -S text.i -o test.s

对下面的代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面代码

1 arry[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）。

上面的程序进行词法分析后得到了16个记号：

2.2.2 语法分析

然后是语法分析器，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。这个阶段会报告的错误语法信息。

2.3 汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器的可执行指令，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编译，也不做指令优化。

汇编的命令如下：

1 gcc -c test.s -o test.o

2.4 链接

① 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能生成可执行程序。

② 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。

③ 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（text.c 和 add.c），代码如下：

我们知道，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，但是由于每个文件是单独编译的，在编译器test.c的时候并不知道Add函数和g_val变量的地址，所以暂时把调用的Add的指令的目标地址目标地址和g_val的地址搁置。等待最后链接的时候由链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，让他们的目标地址为真正的Add函数地址，对于全局变量g_val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：重定义。

前面我们非常简洁的讲解了一个C的程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过程，其实很多内部的细节无法展开讲解。比如：目标文件的格式elf，链接底层实现中的空间与地址分配，符号解析和重定位等，如果你有兴趣，可以看《程序员的自我修养》——书来详细了解。