程序的编译和链接

程序的编译和链接

程序的两种环境

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。

第2种是执行环境，它用于实际执行代码

翻译环境

平时我们写的程序都是一个个的源文件，那么这些文件是怎么生成.exe可执行文件的呢？这就是接下来我们要详细研究的内容

笼统的来讲，大致过程可以用下图来表示：

组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。

每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。

链接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中。

详解编译和链接

编译，其实严格来说应该叫做翻译，因为翻译其实还分多个步骤，分别为预处理，编译，汇编。在VS中每一步骤是观察不到的，所以我们使用GCC编译器来观察现象，研究清楚每个步骤都是做什么的。

预处理

可以看到我这里有一个test.c文件，里面写了这样一段代码，这时候我们来看一下对它进行编译的第1步预处理，究竟做了些什么事情，我们用GCC来执行下面的指令：

gcc test.c -E > test.i

这句指令意思就是将编译test.c到预处理那步就停下来，并将所编译的信息重定向到test.i中，然后我们打开test.i看一下，

实际上已经不存在什么定义的宏了，而是直接被替换，另外还值得注意的是原本只有十几行的代码，经过预处理之后变成了850行，可以看到预处理做的事情其实还是蛮多的，但是重点我们就是来观察一下现象，知道预处理这步到底做了些什么就可以了，所谓预处理就是对一些文本进行操作,

总结如下：

1.#include 头文件的包含，

2.#define 宏替换

3.删除注释

都是一些对文本的操作

编译

有了第一步的经验，我们可以来看一下编译的步骤，指令如下：

gcc test.i -S > test.s

可以发现，我们的代码变成了汇编语言，这就是一个重要的步骤，其实翻译成汇编语言之外，还有语义分析，语法分析等等，你的一些语法错误等等就是这一步检查出来的，另外还有一个很重要的步骤是进行符号汇总，为什么说它重要呢，其实是为下一步生成符号表做准备。下一步再说，总结编译步骤：

编译：

1.语法分析

2.语义分析

3.符号汇总

4.翻译成汇编语言

等等

汇编

同样的操作：

gcc test.s -c > test.o

好的，这下彻底看不懂了，实际上这是因为，编译之后的目标文件其实是二进制文件，是无法识别的，但是这种类型的文件有它自己的格式叫做elf，有个工具readelf是可以看这种类型的文件的具体内容的，这种文件内容实际上也是有特点，都是一段一段的，每一段放不同的信息。我们先说汇编这步做了一些什么事情，

汇编：

1.翻译成二进制

2.生成符号表

我们用readelf这个工具要看关注的也就是这个符号表，来了解一下：

可以看到是有一堆选项，我们要用的就是-s，这个选项来看这个符号表

这个就是我们汇编这步生成的符号表，这个符号表存储了文件中符号的信息，之前我们的示意图中已经说了，我们的源文件是有多个的，每个文件里面的函数变量当然也是多个的，那最后我们链接起来怎么找到这些符号呢？靠的就是这个符号表，它会记录下每个符号的信息，函数，变量，它们的地址等等，在后面的链接这步中按照这个符号表来寻找。

链接

我相信很多人可能早就听过，链接就是将本地多个源文件组合起来，并且引入一些外部的库等等，但是对它到底这个步骤是怎么实现的并不清楚，

今天就来研究清楚，先说链接这个步骤到底做了什么，

链接：

1.合并段表

2.符号表的合并和重定位

段表这个今天先暂时不讨论，到后期才能彻底理解，

段表概念：在分段式存储管理系统中，每个进程或程序都有一个或多个逻辑段，为使程序或称进程能正常运行，亦即，能从物理内存中找出每个逻辑段所对应的位置，在系统中为每个进程建立一张段映射表，简称段表，段表记录了进程中每一个段在内存中的起始地址(又称为 “基址” )、段号和段的长度。

重点还是上面的符号表，符号表合并和重定位是什么意思呢？

举个例子：

像是这个例子就能简单的描述一下，符号表的问题，我们知道每个文件最后都会生成一个目标文件，所以每个源文件的目标文件中都有一张符号表，我们就需要信息合并，当test.c文件中安装符号表去找Add函数时，发现找不到(其实这时候Add的地址是个无效地址)，所以就会报出了错误，LNK的错误一定是链接时发生的错误，无法解析的外部符号就是根据符号表中的信息去找Add这个符号找不到。

如果add.c中将函数名改成正确的Add，在链接时符号表合并，就会将add.c中Add函数的地址重定向到合并之后的符号表中，这样才能够顺序执行。

如果当我们把test.c中的声明去掉，代码也是可以很好的跑起来的，编译器仅仅是报个警告，为什么呢？我想应该就很容易理解了，即使你没有声明，但是在最后符号表合并的时候依旧是很好的进行了合并。所以最后的结果是没有一点问题的。

运行环境

程序执行的过程：

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。

程序的执行便开始。接着便调用main函数。

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。

终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。