【C语言】编译与链接

1.翻译环境与运行环境

在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

1.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）

2.执行环境，它用于实际执行代码

2.翻译环境

那么翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲解一下翻译环境所做的事情。

其实翻译环境由编译和链接两个大的过程组成，而编译又可以分解成三个部分：预处理（也叫预编译）、编译、汇编。

一个C语言的项目中可能由多个.c文件一起构建

多个.c文件生成可执行程序又可分为一下几个步骤：
• 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（在windows环境下目标文件的后缀是.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处理生成最终的可执行程序（链接库是指运行库（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三个过程，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#开始的预处理指令，比如：#include,#define,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，#iddef,#elif,#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（也就是你对代码的解释，即//后面的文字）

比如：

test.c中的代码为：
#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("hello world");//打印hello worle
    return 0;
}
在生成的test.i中就会把注释删掉

• 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文件中不在包含宏定义，因为宏已经被展开。并且包含头文件都被插到.i 文件中。所以当我们无法知道宏定义或者头文件是否被正确包含的时候，可以查看预处理的.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文件。

编译过程的命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

那么对下面代码进行编译的时候，会这么做呢？

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

首先对其进行词法分析

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，将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）。

对上面代码进行词法分析得到了16个记号：

接下来进行语法分析：

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。

最后进行语义分析：

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。

(如果想要进一步了解编译过程，可以去看看《编译原理》这一本书)

2.3 汇编

汇编器是将汇编代码转变成为机器可执行的指令，每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令(二进制指令)。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可以生成可执行程序。

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多文件、多模块之间相互调用的问题。

比如：

在一个c项目中有两个.c文件（test.c和add.c），代码如下：
test.c:

#include <stdio.h>
//test.c
//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;
}

add.c:

int g_val = 2022;
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形成对应的目标文件。

test.c经过编译处理生成test.o

add.c经过编译处理生成add.o

我们在test.c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，在编译器编译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Add的指令的目标地址和g_val的地址搁置。等待最后链接的时候由编译器等根据引用的符号Add在其他模块查找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，让他们的目标地址成为真正的Add函数的地址，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：重定位。