【C语言】编译和链接（细节的king）

前言

相信大家在学完C语言的全部基础知识，肯定会经常动手敲代码。以VS为例，大家在使用IDE进行编译代码时，有没有想过编译的过程中发生了什么？为什么一定要包含stdio.h这个头文件？以及编译器是如何识别出我们头文件并且加入到我们的代码中的？

这些问题都会随着本文的讲解，大家的脑海就会逐渐出现一个清晰的认知了。

1. 翻译环境和运行环境

在ANSI C的任何一种实现中，存在着两种不同的环境。

第一种是翻译环境，在这个环境中源代码会被转换为机器所能够识别的机器指令（二进制指令）。 第二种是运行环境，它是用于实际代码的执行。

不难想象，多个.c源文件经过编译器的编译和链接器的链接之后，生成的目标文件(.obj)。在经过运行环境下生成可执行文件（.exe），并生成结果。

1.1 翻译环境

那翻译环境是如何将代码翻译成机器能够识别的机器指令的呢？这里我们就要笼统地展开讲解一下翻译环境所做的事情了。

其实翻译环境是由编译和链接这两个步骤所组成的，而编译又分为预处理（有些书也会成为预编译）、编译和汇编三个过程。

一个C语言的项目中可能有多个.c源文件一起构建，那么编译器是如何把多个.c的源文件给组合到一起最终生成可执行程序的呢？

• 每个.c的源文件会单独经过编译器的处理，编译生成对应的目标文件。
• 注意：在Windows环境下的目标文件后缀为.obj，在Linux环境下的目标文件后缀为.o
• 链接器会将生成的多个目标文件和链接库给链接起来，最终生成可执行程序。
• 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。

1.1.1 预处理（预编译）

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文件预处理之后.i的文件，命令如下：

gcc -E test.c -o test.i

由于VS的编译器不是gcc，这里我就用vscode给大家展示预处理之后的文件。

预处理

预处理阶段主要处理那些源文件中带有#开始的预编译指令。比如#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。（编译器的处理是，用一个空格代替）
• 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。

经过预处理之后的.i 文件里就不再包含宏定义，因为宏都已经被展开了。并且包含的头文件的内容都会插入到.i文件中。所以当我们不知道宏或者头文件有无正确包含时，可以来查看.i文件。

1.1.2 编译

编译的过程其实就是对预处理之后的文件进行一系列的词法分析，语法分析以及语义分析及优化。

查看编译过程结束之后文件的命令：

gcc -S test.i -o test.s

汇编文件

test.s中的内容其实是汇编代码，看不懂是正常的。

思考一个问题： 假设对下面的代码进行编译时，会怎么做呢？

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

词法分析

将源代码程序输入到扫描器中，扫描器的任务就是简单地对代码进行词法分析。

词法分析是到底在做一件什么事？ 词法分析就是通过扫描器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）。

如果对上面代码进行词法分析，就会产生16个符号：

语法分析

讲完了扫描器的作用，接下来讲一下语法分析器。

语法分析器将对扫描产生的记号进行语法分析，从而生成语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。

语法树

语义分析及优化

由语义分析器来完成语义分析，即对表达式的语法层面进行分析。编译器所能做到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是语法信息。

语义分析

1.1.3 汇编

汇编器是将汇编代码转换成机器可以执行的二进制指令，每一个汇编代码几乎都对应这一条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表一一的进行翻译，也不做指令的优化。

汇编的命令如下：

gcc -c test.s -o test.o

1.1.4 链接

链接是一个复杂的过程，链接的时候需要把程序运行所需要的所有文件都给关联在一起之后才生成可执行程序。

链接的过程主要包括：地址和空间的分配，符号的决议和重定位等这些步骤。

链接主要解决的是一个项目中多文件、多模块之间相互调用的问题。

想要了解更加详细的内容，推荐大家看一下这本书《程序员的自我修养》。

1.2 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。

至此，本文就讲解结束了。如果觉得本文讲的好不错的话，麻烦给偶点个赞吧！