编译和链接（超详细）

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一、编译和链接实例

假设我们有一个名为main.c的C语言源文件，它包含了一个简单的Hello World程序。我们可以使用gcc编译器对该源文件进行编译，生成一个可执行文件。具体步骤如下：

1. 预处理：首先，gcc编译器会对main.c文件进行预处理，处理其中的宏定义、条件编译等指令，生成一个预处理后的文件（通常为.i文件）。
2. 编译：然后，gcc编译器会对预处理后的文件进行编译，将其转换为汇编代码文件（通常为.s文件）。这个过程包括了词法分析、语法分析、语义分析和优化等步骤。
3. 汇编：接着，汇编器会将汇编代码文件转换为机器语言的目标文件（通常为.o文件）。
4. 链接：最后，链接器会将目标文件和必要的库文件进行链接，生成一个可执行的二进制文件（如a.out）。

二、预处理、编译、汇编、链接详解

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。

2. 编译

编译是将预处理后的源代码转换为汇编代码的过程。编译器会检查源代码的语法和语义错误，并生成一个或多个汇编文件。

编译过程的命令如下：

1 gcc -S test.i -o test.s

在编译阶段，编译器会进行以下操作：

• 词法分析：将源代码分解为一系列的记号（tokens）或词汇单元（lexical units），如变量名、关键字、操作符、标点符号等。
• 语法分析：根据语言的语法规则，将记号组合成语法结构（如表达式、语句、程序块等）。
• 语义分析：检查源代码的语义，确保它们有意义。例如，检查变量是否在使用前已定义，函数调用的参数是否与函数定义匹配等。
• 中间代码生成：将源代码转换为一种中间表示形式（如三地址码），以便后续的优化和汇编。
• 优化：对中间代码进行优化，以提高程序的执行效率。
• 目标代码生成：将优化后的中间代码转换为特定机器或目标平台的汇编代码。

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

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。

比如写了一个项目，有多个文件

每个文件都是独立的， 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。

我们在 test.c 文件中每一次使用snake.c 中的函数时的必须确切的知道snake.c 中的函数的地址，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snake.c 中的函数的地址，（假设使用Add函数）所以暂时把调用Add函数指令的目标地址搁置。等待最后链接的时候由链接器根据引用的符号，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函数的指令重新修正，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。