肖恩带你看C语言·编译和链接

来咯来咯，又见面咯，看看编译和链接的知识，了解一下就好，不必深究~~~

运行环境

运行环境是指运行编译后的C语言程序所需的硬件和软件环境。

• 硬件环境：包括CPU、内存、硬盘等物理设备，这些设备提供了程序运行所需的硬件资源。
• 软件环境：主要是指操作系统和相关的库文件。操作系统提供了程序运行所需的基本服务和接口，而库文件则包含了程序在运行时所需的函数和数据结构。

在C语言中，运行环境通常是一个操作系统，如Windows、Linux或macOS等。这些操作系统提供了程序执行所需的系统调用、进程管理、内存管理等功能。此外，程序可能还需要依赖一些特定的库文件，这些库文件通常会在编译时链接到程序中。

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。

在C语言中，翻译环境主要是指用于将C语言源代码编译成可执行文件或机器代码的系统或工具链。这个过程通常包括预处理、编译、汇编和链接等步骤。

• 预处理：处理源代码中的预处理指令，如#include、#define等。
• 编译：将预处理后的代码转换成汇编语言代码。
• 汇编：将汇编语言代码转换成机器语言代码，也就是目标文件。
• 链接：将目标文件和其他必要的库文件链接起来，生成最终的可执行文件。

这个翻译环境通常包括一个编译器（如GCC、Clang等）和相关的工具链。编译器负责将C语言源代码翻译成机器代码，而工具链则提供了一系列辅助工具，如调试器、性能分析工具等。

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：

（都是在Linux系统进行执行的）

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. 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

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);

2.1 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：

记号	类型
array	标识符
[	左方括号
index	标识符
]	右方括号
=	赋值
(	左圆括号
index	标识符
+	加号
4	数字
)	右圆括号
*	乘号
(	左圆括号
2	数字
+	加号
6	数字
)	右圆括号

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。

2.3 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。

3. 汇编

汇编器是将汇编代码转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。

汇编的命令如下：

gcc -c test.s -o test.o

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。

1. 符号解析：链接器会检查每个目标文件中的符号（函数和全局变量的名称），并尝试解析它们。如果某个符号在当前目标文件中没有定义，链接器会在其他目标文件或库文件中查找这个符号的定义。
2. 重定位：链接器会修改目标文件中的指令和数据，以便在程序运行时能够正确地引用符号的地址。这个过程涉及到对符号地址的重定向。
3. 合并段：链接器将目标文件中的代码段、数据段等合并成一个统一的程序映像，为程序的执行做好准备。

C语言代码示例

假设我们有两个C源文件：main.c 和 helper.c

main.c

#include <stdio.h>  
  
extern void print_hello(); // 声明外部函数  
  
int main() {  
    print_hello(); // 调用外部函数  
    return 0;  
}

helper.c

#include <stdio.h>  
  
void print_hello() {  
    printf("Hello from helper function!\n");  
}

要编译并链接这两个源文件，我们通常会使用命令行工具，如GCC

gcc -c main.c       # 编译main.c生成main.o  
gcc -c helper.c     # 编译helper.c生成helper.o  
gcc main.o helper.o -o my_program # 链接main.o和helper.o生成可执行文件my_program

在上面的命令中：

-c 选项告诉GCC只进行编译，生成目标文件（.o 文件），而不进行链接。

-o my_program 指定了输出文件的名称（在这里是可执行文件my_program）。

链接器会自动处理符号解析和重定位。如果print_hello函数在main.c中被声明为extern，并且在helper.o中有定义，链接器会在链接时找到这个函数，并将其地址正确地嵌入到main.o中对应的调用位置。

如果链接器在链接过程中找不到某个符号的定义（例如，如果忘记了编译helper.c或声明有误），它会报告一个链接错误，告诉你哪个符号未定义。

在现代的集成开发环境（IDE）或构建系统中，这些步骤通常是自动完成的，你不需要手动执行每个编译和链接命令。但是，理解这些步骤和它们是如何工作的对于深入理解C语言编程和构建过程是非常有帮助的。

前面我们非常简洁的讲解了⼀个C的程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过程，其实很多内部的细节无法展开讲解。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，如果你有兴趣，可以看《程序的自我修养》⼀书来详细了解。

看到这里，本篇文章就接近尾声咯

期待与你的下次相见