编译和链接

翻译环境和运行环境

在ANSI C的任何一种实现中都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(二级指令)。
第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

翻译环境

大家都知道源代码是经过编译和链接生成可执行程序的，那么它到底是怎么做的呢？
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：
预编译 （预处理）、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，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：

预编译(预处理)

在预处理阶段，源文件和头文件都会被处理成为 .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**，处理规则如下：

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、#ifdef、#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文件。
4. 删除所有的注释。
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. 保留所有的#pragma的编译指令，编译器后续会使用。

test.c

test.h

test.i

对比3个截图，发现预处理后的test.i确实如我们所说的那样。

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、符号汇总及优化，
生成相应的汇编代码文件。编译过程如下：

gcc -S test.i -o test.s

编译其实就是将C语言代码翻译成了汇编代码

对下面代码进行编译的时候，会怎么做呢？

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

词法分析

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：

语法分析

接下来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。

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。

符号汇总

编译器会把全局变量、函数名这些符号进行汇总。

这里新创建了一个test2.c演示：

经过编译后：

汇编

汇编器将汇编代码转变成机器可执行的指令（2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。

汇编的命令如下：

gcc -c test.s -o test.o

.o 文件就是目标文件。
在编译的符号汇总之后，汇编会将汇总的符号形成符号表，该符号表会在链接中用到。

链接

链接主要进行下面两个过程：

1. 合并段表
2. 符号表的合并和重定位

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。

合并段表

这里我们用VS2022和画图演示。

合并段表其实就是将多个目标文件合成一个可执行程序。

符号表的合并和重定位

这里我们用VS2022和画图演示。

下面是add.c和test.c的符号表:

合并:

重定位:

这就是我们没有声明函数，但是照样可以跑程序，只是给一个警告的原因。

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. 接着程序的执⾏便开始，然后调⽤main函数。
3. 接着开始执⾏程序代码，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。