C语言——编译与链接

1.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，在 Linux 环境下目标文件的后缀是 .o

2.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。

3.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。

如果再将编译器展开成3个部分，那么就会变成如下过程：

2.编译过程

2.1 预处理（预编译）

在预处理阶段，源文件和头文化会被处理为 .i 为后缀的文件。

在 gcc 中，将 .c 文件处理成 .h 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。

我们可以通过一段简单的代码来观察一下：

通过指令生成 test,i 文件：

test.i文件：

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

我们输入指令查看一下该文件：

生成的这一大段代码就是汇编代码。

假设现在有这么一段代码：

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

对这段代码进行编译时，编译器做了什么工作？

他们分别是：词法分析、语法分析、语义分析及优化

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：

|-------|-----|----|------|
| 记号 | 类型 | 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 |

2.2.2 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 。

实际上，编译的过程是十分复杂的，这里也只能浅浅的描述一下这一过程。

2.3 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。

汇编器将汇编代码（接近人类可读的语言）转换成机器代码（二进制形式），这些机器代码是CPU可以直接执行的。

汇编的命令如下：

gcc -c test.s -o test.o

我们同样可以输入指令尝试去观察一下：

实际上，经过汇编处理后文件即为目标文件（test.o）为二进制文件，无法通过文本编辑器打开。

3.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。

举个例子：

现在在一个C的项目中，有两个 .c文件（test.c和add.c），代码如下：

add.c:

int g_val = 2024;

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

test.c:

#include<stdio.h>

//声明外部函数
extern int add(int x, int y);
//声明外部的全局变量
extern int g_val;

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = add(10, 20);
	printf("%d\n", c);
	return 0;
}

为什么在 add.c 中定义的文件在 test.c 文件中声明一下就可以使用呢？

我们来简单了解一下：

经过前面的学习，我们知道每一个源文件（.c）经过编译过程后都会生成自己的目标文件（ .o/.obj）。

test.c 经过编译器处理生成 test.o /test.obj

add.c 经过编译器处理生成 add.o /add.obj

我们在文件 test.c 中使用了文件 add.c 中的 add 函数和 g_val 变量。

在编译的过程中，会对代码中的符号进行符号的汇总，并形成相应的符号表，符号表中会存储符号相对应的地址。在产生 test.c 文件的符号表时，遇到只有声明而未定义的符号 add 和 g_val 时，会暂时将其地址搁置。

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 g_val 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。

我们现在已经对C语言程序的编译和链接过程有了一个大致的了解，但很多内部的细节是无法展示的。

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。

运行环境

翻译环境结束后就到了运行环境，运行环境是一个十分复杂的，我们简单了解一下：

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。

程序的执行便开始。接着便调用main函数。

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。

终止程序。正常终止 main 函数；也有可能是意外终止。

结束语

希望本文能帮助您更好地理解C语言程序的编译和链接过程，以及运行环境的基本概念。

感谢各位友友的阅读。

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