【C语言】编译与链接

目录

 

一.翻译环境与运行环境

1.1为什么会有翻译环境与运行环境呢？

1.2在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同环境。

二.翻译环境

2.1.总览

2.1.1翻译环境是由编译与链接两个大过程组成的，编译又可以分为预处理（预编译）、编译、汇编三个过程。

2.2.预处理（预编译）

a.将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义，将#defined定义的符号和宏的内容替换文中出现的符号和宏。

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

c.处理#include 预编译指令，将包含的头文件的内容（有关函数的定义、声明等）插入到该预编译指令的位置，并删除#include。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，如果包含，则将其他文件的内容也插入该自身预编译指令在头文件中的位置。

d.删除所有的注释(这就是为什么我们说注释是写给程序员看的，而不是写给机器看的。)

e.添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。

注：处于编译器后续会使用的考虑，所有的#pragma的编译器指令会被保留。

2.3.编译

2.3.1 词法分析：

2.3.2语法分析

2.3.3语义分析

注:sizeof()判断括号内对象大小，就是依据语义分析判断大小的类型，不是真的计算出结果再判断大小，这就是为什么说sizeof()括号内表达式不会运算。

总结的来说经过编译的这一系列步骤，代码会被转化为汇编代码。

2.4汇编

2.5链接

三.运行环境

a.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（如学单片机时常说：“下载到板子上去”），也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。

b. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。

c. 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。

d. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

注：撰写本文时，笔者对于相关知识了解仍只是皮毛，上述文章中也难免会有错漏或撰写不详细的地方，感兴趣的读者可以看看《程序员的自我修养》来深入全面的了解。

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一.翻译环境与运行环境

1.1为什么会有翻译环境与运行环境呢？

我们正常编写的程序如test.c文件中代码，其实都是一些文本信息，机器是无法识别的，因此我们需要将我们编写的代码翻译为机器可识别的二进制指令的，然后机器才能够运行。

1.2在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同环境。

第一种是翻译环境（一般是编译器），在这个过程中源代码被转换为可执行的机器指令（二进制指令）。

第二种是执行环境（一般是操作系统），它用于实际代码执行。

二.翻译环境

2.1.总览

2.1.1翻译环境是由编译与链接两个大过程组成的，编译又可以分为预处理（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 .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，一个.c文件经编译处理生成一个对应的目标文件。

• 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

2.2.预处理（预编译）

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

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：

a.将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义，将#defined定义的符号和宏的内容替换文中出现的符号和宏。

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

c.处理#include 预编译指令，将包含的头文件的内容（有关函数的定义、声明等）插入到该预编译指令的位置，并删除#include。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，如果包含，则将其他文件的内容也插入该自身预编译指令在头文件中的位置。

d.删除所有的注释(这就是为什么我们说注释是写给程序员看的，而不是写给机器看的。)

e.添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。

注：处于编译器后续会使用的考虑，所有的#pragma的编译器指令会被保留。

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。

2.3.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。

2.3.1 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）。那么这具体是什么意思呢？

假设有以下代码：

arr[num] = (num + 4) * (2 + 6);

对上面程序进行词法分析后得到了16个记号：

记号	类型
arr	标识符
[	左方括号
num	标识符
]	右方括号
=	赋值
(	左圆括号
num	标识符
+	加号
4	数字
)	右圆括号
*	乘号
(	左圆括号
2	数字
+	加号
6	数字
)	右圆括号

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2语法分析

扫面产生了上述的记号，接下来就通过语法分析器进行语法分析，从而产生语法树。

标识符与数字或者数字与数字经过不同运算符构成表达式，不同表达式再经过运算符构成一个更大的表达式，这些表达式作为节点，就形成整个语法树。

2.3.3语义分析

接下来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（目前这一步语义还无法根据代码生成可执行程序，让代码动起来运行，因此只能静态分析）。，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，语义分析器会去识别不同记号的类型，再根据记号的类型去识别表达式的类型，这个阶段会报告错误的语法信息。

注:sizeof()判断括号内对象大小，就是依据语义分析判断大小的类型，不是真的计算出结果再判断大小，这就是为什么说sizeof()括号内表达式不会运算。

总结的来说经过编译的这一系列步骤，代码会被转化为汇编代码。

2.4汇编

在汇编这个过程中，主要由汇编器赖将汇编代码转转变成机器可执行的二进制指令，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。
 

2.5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。

如下图：

我们应该曾经疑惑过为什么函数的定义在其他文件内，我们声明一下就能调用到不同文件内的函数呢？

其实不同文件经过编译时，会根据符号（变量，函数等）为其分配一个地址，对于如函数声明，因为是在其他文件定义的，编译时就会先分配给一个假地址，以便形成符号表，之后在链接是，符号表会合并在一起，这是声明处分配的假地址会被定义处的真地址修正替换掉，之后系统执行到声明处，也可以通过真实的地址访问到函数定义处。这就是重定义。这样一来，即使函数定义在不同的文件内，也可以通过声明调用到函数。

三.运行环境

a.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（如学单片机时常说：“下载到板子上去”），也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。

b. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。

c. 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。

d. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

 

注：撰写本文时，笔者对于相关知识了解仍只是皮毛，上述文章中也难免会有错漏或撰写不详细的地方，感兴趣的读者可以看看《程序员的自我修养》来深入全面的了解。