【编译和链接】

目录

1. 翻译环境和运行环境
2. 翻译环境：预编译+编译+汇编+链接

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1. 翻译环境和运行环境

在ANSI C的任一实现中，存在两个不同的环境

第一种是翻译环境，在这个环境中源代码转为可执行的机器指令
第二种是执行环境，用于实际执行代码

2. 翻译环境

翻译环境是怎么将源代码转换为可执行指令的呢？这里就得展开讲解翻译环境做的事情

翻译环境是由编译和链接组成的，编译又可以分解成：预处理（预编译）、编译、汇编三个过程

一个c语音项目可能有多个.c文件一起构成，那多个.c文件怎么生成可执行程序

• 多个.c文件单独经过编译器编译生成对应的目标文件
• 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
• 多个目标文件和链接库一起经过连接器处理生成最终的可执行程序
• 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

如果再把编译器展开成3个过程，那就变成了下面的过程

2.1 预处理（预编译）

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理为.i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，处理规则如下：

• 将所有的#define删除，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

2.2 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、语义分析和优化，生成相应的汇编代码文件

命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

对下面代码进行编译的时候，会怎么做呢，假设下面的代码

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

2.2.1 词法分析

将源代码输入扫描器，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）

上面程序进行词法分析后得到了16个记号：

2.2.2 语法分析

接下来语法分析器，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，对表达式的语法层面分析。比那一期能做的分析是语义的静态分析。静态分析通常包含声明和类型的匹配，类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息

2.3 汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的代码，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

gcc -c test.s -o test.o

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

比如：

在一个c项目中有2个.c文件（test.c和add.c）：

我们已经知道，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

test.c经过编译器处理生成test.o
add.c经过编译器处理生成add.o

我们在test.c中使用了add.c的函数和变量g_val
test.c文件每一次使用add文件的函数和变量都必须确切知道它们的地址，但由于每个文件时单独编译的，所以编译时并不知道，暂时把调用Add的指令地址和g_val地址搁置。等待最后链接的时候由连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引用的Add指令重新修正，让目标地址为真正的函数地址，对于全局变量也是如此，这个地址修正过程叫：重定位

上面的讲解编译和链接的过程是比较简洁的，到最后生成可执行程序的过程，其实很多内部细节没有展开，比如：目标文件的格式elf，链接底层实现中空间与地址分配，符号解析和重定位等，如果你有兴趣，可以看《程序的自我修养》——书来详细了解