【C语言】编译与链接

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所属专栏：C语言

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目录

 引言

一、翻译环境

1.1 编译

1.1.1 预处理

 1.1.2 编译

1.1.2.1 词法分析

1.1.2.2 语法分析

1.1.2.3 语义分析

1.1.3 汇编

1.2 链接

二、运行环境

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 引言

  在C语言代码进行实现的时候，都存在两个不同的环境。一个是翻译环境，在这个环境中C语言的源代码会被翻译成可以执行的机器指令，也就是二进制指令。另一个是执行环境，用于执行这些被翻译后的机器指令。本篇文章将会详细介绍在翻译环境中所进行的一系列处理过程。

一、翻译环境

  翻译环境由编译和链接两个过程所组成。在这其中，编译又可以分为预处理（预编译）、编译、汇编三个过程。

 在一个C语言的项目中，有可能会有多个.c文件，这些文件是如何生成可执行的程序的呢？

• 多个.c文件会单独经过编译器，形成多个以.obj为后缀的目标文件（VS环境）。
• 多个目标文件和链接库一起通过链接器，处理后形成后缀为.exe的可执行程序

 如果把编译拆分成三个过程，如下图所示（gcc编译器）：

1.1 编译

1.1.1 预处理

  在这个过程中，源文件和头文件会被处理成为以.i为后缀的文件，在gcc编译器上，如果想进行该过程，指令如下：

gcc -E text.c -o text.i

 在预处理阶段，会进行以下操作：

• 将所有的#define删除，并且展开所有的宏定义。
• 处理所有的条件编译指令。（#if、#ifdef、#elef等）
• 处理#include预编译指令，将该头文件所包含的所有内容插入到预编译指令所在的位置。这个过程中，如果头文件中包含了其他的头文件，将会递归进行展开。
• 删除所有的注释信息。
• 添加行号和文件名标识，以便后续的调试。
• 保留所有的#pragma的编译器指令，以便后续使用。

 1.1.2 编译

  在该过程中，会对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。

在gcc编译器上的指令：

gcc -S text.i -o text.s

 下面以一个例子来解释该过程：

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

1.1.2.1 词法分析

  在该过程中，源代码程序会被输入到扫描器中，进行简单的词法分析，把代码中的字符分割成一系列的记号：

1.1.2.2 语法分析

  在该过程中，语法分析器会对扫描产生的记号进行语法分析，产生一个语法树，语法树是以表达式为节点的树。

1.1.2.3 语义分析

  该过程由语义分析器完成语义分析，是对表达式语法层面的分析（语义静态分析），语义静态分析通常包括：声明、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。

1.1.3 汇编

  汇编器会将汇编代码转换为机器可执行的机器指令，每一条汇编指令对应一条机器指令。这个过程是根据汇编指令和机器指令对照表一一进行翻译，不会做任何的优化。

在gcc编译器上的指令：

gcc -c text.s -o text.o

1.2 链接

  在这个过程中，会进行地址和空间的分配，符号决议和重定位等步骤。目的是将一个项目中的多个文件链接在一起 ，形成可执行程序。

关于重定位：

如果我们在text.c文件中用到了其他文件中的变量或者函数，按道理来讲，需要明确这些在其他文件中的变量和函数的实际地址，才能够使用它们。但是因为每个文件都是单独编译的，text.c文件在被编译的时候并不知道其他文件中的变量和函数的地址，编译器会暂时搁置它们的地址。等到最后链接的时候，由链接器根据函数名或变量名，在其他的模块中寻找这些函数或者变量的地址，然后将之前搁置的地址重新修正，让这些暂时被搁置的地址变成真正的函数或变量的地址。这个暂时搁置地址在后期进行重新修正的过程就叫做重定位。

二、运行环境

• 程序一般必须载入内存中才能运行。在有操作系统的环境中，一般由这个操作系统来完成。 如果没有操作系统，程序的载入必须由手工安排，或者通过可执行代码置入只读内存来完成。
• 程序运行后，进入main函数
• 执行代码，使用运行堆栈储存局部变量和地址，也可使用静态内存。
• 终止程序。正常终止main函数/异常终止。