编译&链接
在计算机编程中,"编译"和"链接"是将源代码转换为可执行程序的两个关键步骤。
1. **编译**:
编译是指将源代码转换为机器代码的过程。在C语言中,编译器(如GCC,Clang等)会读取源代码文件(.c文件),并将其转换为汇编代码或目标代码(.o文件)。这个过程包括词法分析、语法分析、语义分析和代码生成。在编译阶段,编译器还会检查源代码中的语法错误,并生成相应的错误或警告信息。编译器生成的目标代码是二进制格式的,但通常还不能直接运行,因为它可能引用了其他目标文件或库中的函数和数据。
2. **链接**:
链接是指将多个目标文件和库链接成一个可执行文件的过程。在链接阶段,链接器会解析目标文件中的符号引用,将它们与库中相应的定义进行匹配。链接器还会为程序中的全局变量和函数分配内存地址,确保程序在运行时能够正确地访问这些资源。链接过程完成后,会生成一个可执行文件,这个文件包含了所有必要的代码和数据,可以被操作系统加载并运行。
编译和链接是两个独立但又紧密相关的步骤。编译将源代码转换为目标代码,链接将目标代码和库链接成可执行文件。在实际的开发中,这两个步骤通常由编译器工具链(如GCC)自动完成,开发者只需要提供相应的命令行参数,如源文件路径、编译选项、链接库等,就可以完成从源代码到可执行程序的转换。
1. 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。

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

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。
与预处理有关的,会在下一篇文章里面详细再讲解。
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
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
);
2.2.1 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:

2.2.2
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。

2.2.3
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。

2.3 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
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:

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。

前⾯我们⾮常简洁的讲解了⼀个C的程序是如何编译和链接,到最终⽣成可执⾏程序的过程,其实很多内部的细节⽆法展开讲解。⽐如:⽬标⽂件的格式elf,链接底层实现中的空间与地址分配,符号解析和重定位等。
3.
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。