【C语言】--- 编译和链接

1. 翻译环境和运行环境

计算机只能运行二进制指令，所以我们的.c的文本程序需要先翻译为二进制程序才能被计算机执行。在 ANSI C的任何一种实现中存在两种环境：

1. 翻译环境：这个环境中源代码可以被转变为二进制指令（机器指令）
2. 运行环境：用于实际执行代码。

2. 翻译环境

翻译环境是如何把源代码转变为可执行的二进制指令呢？翻译环境由编译和链接两个大过程组成，编译又分为预处理、编译、汇编。

1. 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。
2. 多个目标文件和链接库一起由链接器生成可执行程序。
3. 链接库是指指运行时库(它是⽀持程序运⾏的基本函数集合)或者第三方库。

编译的三个步骤图示如下：

下面以Linux环境下的GCC编译器命令为例，解析编译链接过程

2.1 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。
写一个code.c源文件。

对应的预处理命令为：gcc -E code.c -o code.i

打开code.i!

我们可以看到预处理阶段的主要工作是处理预处理指令，如#define、#include，具体如下：

1. 头文件被展开，若头文件中含其他文件也会被展开
2. 宏定义被展开
3. 条件编译被处理
4. 注释被删除
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. 或保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使⽤

预处理本质还是一些文本操作。

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。
对应的指令为：gcc -S code.i -o code.s

经过整个编译过程文本代码被翻译为汇编代码，具体的实现步骤如下：

2.2.1 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）
这里给出一个例子：

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

上面程序的词法分析如下

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。

这里简单了解即可。

2.3 汇编

汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的二进制代码，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。
对应的指令为：gcc -c code.s -o code.o
code.o文件对应的内容如下

code.o文件中的内容就是二进制指令了，人类不直接可读，需要特定的程序翻译。

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。
例如在一个C项目中有两个.c文件
test.c

add.c

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。
test.c文件每一次使用Add函数和g_val的时候必须确切的知道Ad和g_val的地址，但是由于每一文件时单独编译的，在编译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和g_val的目标地址搁置，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函数对应的地址，然后把test.c中所用引用到Add的指令重新修正，让他们的目标地址为为真正的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叫做：重定位。

3. 运行环境

1. 程序必须载⼊内存中,这是由冯诺依曼结构决定的，外部设备无法直接和CPU进行数据传输。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，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。

本篇文章没有干货，仅简单讨论了程序的执行流程。