【C语言】编译与链接

前言 我们想一个问题，我们写的C语言代码都是文本信息，电脑能直接执行c语言代码吗？肯定不能啊，计算机能执行的是二进制指令，所以将C语言转化为二进制指令需要一段过程，这篇博客讲一下编译与链接，来一起探讨C语言是如何转化为二进制指令的。 个人主页：小张同学zkf 若有问题 评论区见 感兴趣就关注一下吧

1. 翻译环境和运行环境

在ANSI C（标准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（二进制指令）。 第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

2. 翻译环境

那翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？

这里我们就得展开开讲解一下翻译环境所做的事情。

其实翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成的，而编译又可以分解成：预处理（有些书也叫预编译）、编译、汇编三个过程。

一个C语言的项目中可能有多个 .c 文 件一起构建，那多个 .c 文 件如何生成可执行程序呢？

• 多个.c文件单独经过编译器，编译处理生成对应的目标文件。

• 注： 在Windows环境下的目标文件的后缀是 .obj ，Linux环境下目标文件的后缀是 .o

• 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。

• 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linux操作系统gcc环境下

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

这个-E就是把在gcc环境下test.c 文件停留到预处理结束阶段用-o命令把此刻文件生成为test.i，所以，此刻文件就是预处理之后的文件。

预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令。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。

2.2 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、语义分析及优化 ，生成相应的汇编代码文件。

编译过程的命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

就是把test.i文件进行-o处理，就是编译处理最后结果生成的文件为test.s

对下面代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面的代码

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

2.2.1 词法分析

将源代码程序被输入 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 ，将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，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。这个阶段会报告错误的语法信息。

注意：编译结束时，此刻的代码就是汇编代码

2.3 汇编

编译完接下来一步就是汇编了，汇编就是把汇编代码生成机器指令

gcc -c test.s -o test.o

把test.s进一步加工通过-o就是把这个文件汇编成test.o的文件，这时的文件就是目标文件。 此刻就是把c的源文件通过编译（预处理-编译-汇编）一个大步骤生成目标文件

汇编器是将 汇编代码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 。

2.4 链接

链接是一个复杂的过程，链接的时候需要把一堆目标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。

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 的文件中使用了 add.c 文 件中的 Add 函数

我们在 test.c 文 件中每一次使用 Add 函数的时候必须确切的知道 Add 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 函数变量的地址，所以暂时把调用 Add 的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 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， 这个地址修正的过程也被叫做： 重定位

链接结束后，就生成了我们想要的 可执行程序 。

3. 运行环境

1. 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。

2. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。

3. 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。

4. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

结束语 本篇博客总结了编译和链接涉及C语言的有关知识，其实很多内部的细节无法展开总结。比如：目标文件的格式elf，链接底层实现中的空间与地址分配，符号解析和重定位等，如果有兴趣，可以看《程序的自我修养》一书和我的博客搭配着来详细了解这方面的知识。 OK感谢观看！！！ 下片博客见