C语言 编译和链接

目录

前言

一、翻译环境和运⾏环境

1.2 翻译环境

1.3 编译

预处理

编译

1.词法分析

2.语法分析

3.语义分析及优化 

汇编

1.4 链接

​编辑

二、运行环境

总结

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前言

在C语言中，程序通过编译和链接操作生成可执行文件，在运行环境中输出结果。我们来了解编译和链接操作。

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一、翻译环境和运⾏环境

在ANSI C的任何⼀种实现中，存在两个不同的环境。

第1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2种是 执行环境 ，它⽤于实际执行代码。

1.2 翻译环境

其实翻译环境是由 编译 和 链接 两个大的过程组成的，而编译又可以分解成： 预处理 （有些书也叫预编译）、 编译 、 汇编 三个过程。

⼀个C语⾔的项⽬中可能有多个 .c ⽂件⼀起构建，那多个执行程序呢？

• 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(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：

1.3 编译

编译可以分解成： 预处理 、 编译 、 汇编 三个过程

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 环境下想观察⼀下，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#开始的预编译指令。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 、 #ifdef 、 #elif 、 #else 、 #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

• 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。

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

对下⾯代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面的代码：

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

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）。

上面程序进行词法分析后得到了16个记号：

2.语法分析

接下来 语法分析器 ，将对扫描参数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。

3.语义分析及优化 

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。

汇编

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，也不做指令优化。

汇编的命令如下：

gcc -c test.s -o test.o

1.4 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 ），代码如下：

#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;
}

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 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，所以暂时把调用 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 。

二、运行环境

1. 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。

2. 程序的执行便开始。接着便 调用main函数 。

3. 开始 执行程序代码 。这个时候程序将使用一个运行时堆栈（stack），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。

4. 终止 程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

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总结

上述文章讲了C语言中的编译和链接，和运行环境的知识，希望对你有所帮助。