初识编译和链接（C语言）

编译和链接

编译和链接这两个大的过程构成了翻译环境。

其实，在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

一个环境是翻译环境，另一个是执行环境。
翻译环境中，源代码被转换为可执行的机器指令。
执行环境中，代码将被实际执行。

这两大环境就是要介绍的内容，不过较多介绍的是翻译环境。

翻译环境

上面介绍，翻译环境中，源代码被转换为可执行的机器指令，怎么做的？

编译 + 链接

• 编译器和链接器就是一个可执行程序，所以以 .exe为后缀

• Windows环境下的目标文件后缀是 .obj，Linux环境下目标文件后缀是 .o

• 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。

我们讲的编译其实是三个过程的统称，这三部分是：预处理（预编译）、编译、汇编。

1. 如果有多个.c文件，那么每个文件会单独经过编译器，编译处理生成对应目标文件。
2. 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。

将这个过程展开：

接下来，我们将这三个过程逐个介绍：

预处理

预处理阶段，源文件、头文件会被处理成 .i为后缀的文件。

预处理阶段主要处理源文件中#开始的预编译指令。比如：#include、#define，处理的规则如下：

• 删除所有的 #define，展开所有的宏定义（本质是替换）
• 处理条件编译指令，例如：#if、#elif等
• 处理 #include预编译指令，将包含的头文件的内容插入到预编译指令的位置。这个过程是递归进行的，也就是说被包含的头文件可能包含其他文件。
• 删除所有注释
• 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等
• 保留所有的 #pragma的编译器指令，编译器后续会使用。

预处理最终生成 .i文件中不再包含宏定义，宏已经被展开。

编译

编译过程是将预处理后的文件执行：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。

对下面例子编译过程进行分析

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

词法分析

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）。

语法分析

接着对扫描产生的记号进行语法分析，产生语法树。这些语法树是以表达式为结点的树。

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。

汇编

汇编器是将汇编代码转变为机器可执行的指令，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。

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到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。

链接能解决一个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题。

例如这样一个项目，有两个 .c文件

//test.c
#include <stdio.h>
extern int n;
extern int add(int x, int y);

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("%d\n%d", add(a, b), n);
	return 0;
}

//add.c
int n = 100;

int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

输入20 和 30，程序正常运行：

前面介绍了，多个.c文件是单独编译的，并生成各自对应的目标文件。

test.c文件中使用了add.c文件中的add函数和n变量

我们在test.c⽂件中每⼀次使用 add 函数和n的时候必须确切的知道 add 和 n 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 函数和变量 n 的地址，所以会暂时把调⽤ add 的指令的目标地址和 n 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 n 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

运行环境

运行环境是由英语的“runtime environment”直译，意指一种把半编译的执行码在目标机器上运行的环境。

由翻译环境生成的后缀为 .exe的可执行程序将会在运行环境实际运行。

• 程序运行时必须载入内存。在有操作系统的环境中，一般这个由操作系统完成。独立环境中，程序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。
• 载入内存后，程序开始执行，调用main函数。
• 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。程序同时可以使用静态内存，存储静态内存中的变量，并在整个执行过程中一直保留它们的值。
• 最后终止程序。当然会有意外终止的情况。

以上就是今天分享的内容，知识较为浅薄，没有深入，不过一定程度上弥补了一些知识盲区，后面会发布一篇有关预处理的博客，希望大家多多支持。