C语言详解（编译和链接）

_小羊_

已于 2024-08-19 14:20:45 修改

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分类专栏： # C语言进阶文章标签： c语言

于 2024-06-12 00:32:59 首次发布

小羊在奋斗

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🚀本系列文章为个人学习笔记，在这里撰写成文一为巩固知识，二为展示我的学习过程及理解。文笔、排版拙劣，望见谅。

前言

在 ANSI C （标准C）的任何一种实现中，存在两个不同的环境

翻译环境：源代码被转换为可执行的机器指令（二进制指令）
执行环境：用于实际执行代码

就像语言不通的一个中国人和一个美国人，他们想要交流就需要一个翻译。同样的，人类能理解的语言和机器能理解的语言也是不通的，如果我们想要和机器交流也需要一个翻译。本篇文章将详细探讨这个翻译的过程，短文一篇，感谢阅读。

1、翻译环境

翻译环境，笼统地说就是编译和链接的过程。

翻译环境生成的就是.exe文件（可执行文件）：

在这里插入图片描述

一个C语言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？

多个.c文件单独经过编译器，编译生成对应的目标文件
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（支持程序运行的基本函数集合）或者第三方案

1.1 预处理（预编译）

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理成.i为后缀的文件
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
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，可以查看与处理后的.i文件

1.2 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

也就是说编译达到的效果是：将C语言代码转化成汇编代码

1.2.1 词法分析

将源代码程序输入扫描器，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）。

1.2.2 语法分析

语法分析用的工具叫语法分析器，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。

1.2.3 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。这个阶段会报告错误的语法信息。

1.3 汇编

汇编是将汇编代码转化成机器可执行的指令（二进制指令），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。

1.4 链接

链接是一个复杂的过程，连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。
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、多模块之间相互调用的问题。
比如：
在一个C的项目中有两个.c文件（main.c和add.c）：

在这里插入图片描述

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。
main.c经过编译器处理生成main.obj
add.c经过编译器处理生成add.obj
我们在main.c文件中使用了add.c文件中的add函数和g_val变量

我们在main.c文件中每一次使用add函数和g_val变量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main.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main.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叫做：重定位。

2. 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，比如单片机的烧录，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成的
程序的执行开始，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持它们的值
终止程序，正常终止main函数，也可能是意外终止