C语言自学--编译和链接

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1、翻译环境和运行环境

[2、 翻译环境：预编译+编译+汇编+链接](#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ANSIC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。

第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

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2、 翻译环境：预编译+编译+汇编+链接

翻译环境是如何将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这需要深入了解翻译环境的工作流程。翻译环境主要由编译 和链接两大阶段组成，其中编译过程又可细分为三个步骤：预处理（部分资料称为预编译）、编译和汇编。

在C语言项目中，当多个.c文件需要一起构建时，生成可执行程序的过程分为两个主要步骤：

1、编译阶段：

• 每个.c文件会单独进行编译处理，生成对应的目标文件
• 注意：Windows环境下目标文件扩展名为.obj，Linux环境下为.o

2、链接阶段：

• 所有目标文件将与链接库一起通过链接器处理
• 最终生成可执行程序
• 链接库包括运行时库（提供程序运行所需的基本函数）和第三方库

如果再把编译器展开成3个过程，那就变成了下面的过程（用gcc为例，拆解编译链接的过程）：

2.1、预处理

在预处理阶段，源文件和头文件会被转换为以.i为后缀的中间文件。若要在gcc环境下查看test.c文件预处理后的结果，可执行以下命令：

gcc -E test.c -o test.i

预处理阶段主要处理源文件中以#开头的预编译指令，例如#include、#define等，具体处理规则如下：

1. 移除所有#define指令并展开宏定义
2. 处理条件编译指令（#if、#ifdef、#elif、#else、#endif）
3. 递归处理#include指令，将被包含的头文件内容插入到对应位置
4. 删除所有注释内容
5. 添加行号和文件名标识，便于编译器生成调试信息
6. 保留#pragma指令供编译器后续使用

预处理生成的.i文件具有以下特点：

• 不再包含宏定义（已全部展开）
• 所有头文件内容已插入到相应位置
• 可通过检查.i文件来验证宏定义和头文件包含的正确性

2.2、编译

编译过程对预处理后的文件执行一系列操作：包括词法分析、语法分析、语义分析及优化处理，最终生成对应的汇编代码文件。相关编译命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

编译以下代码时会发生什么情况？假设现有如下代码片段：

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

2.2.1 词法分析：

源代码程序被输入扫描器后，扫描器执行词法分析任务，将代码中的字符序列分割成一系列标记（包括关键字、标识符、字面量和特殊字符等）。经词法分析后，上述程序共生成16个标记。

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。

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。 汇编的命令如下：

gcc -c test.s  -o test.o

2.4、链接

链接是将多个文件组合生成可执行程序的复杂过程。其主要步骤包括：地址与空间分配、符号决议以及重定位等。链接的核心作用是解决项目中多文件、多模块间的相互调用问题。比如： 在一个C的项目中有2个.c文件（ test.c 和 add.c ），代码如下：

//test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>
//test.c
//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 = 0;
	c = Add(a,b);
	printf("%d",c);
	return 0;
}

//add.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
int g_val = 2022;
int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

编译过程中，每个源文件都是独立编译生成对应的目标文件。例如：

• test.c 编译生成 test.o
• add.c 编译生成 add.o

当 test.c 文件中调用 add.c 中的 Add 函数和使用 g_val 变量时，由于文件是单独编译的，编译器在处理 test.c 时无法确定这些符号的实际地址。因此：

1. 编译器会暂时记录调用 Add 函数的指令目标地址和引用 g_val 的地址
2. 这些地址信息会被标记为待定状态

在最终链接阶段，链接器会：

1. 根据符号表在其他模块中查找 Add 函数和 g_val 的实际地址
2. 对 test.c 中所有引用 Add 和 g_val 的指令进行地址修正
3. 将目标地址更新为正确的实际地址

这个地址修正的过程称为"重定位"。

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3、运行环境

程序执行的基本流程如下：

1. 内存加载阶段(程序必须载入内存中 )：

   • 在操作系统环境中，通常由操作系统自动完成程序加载
   • 在独立环境中，需要手动加载程序，或通过将可执行代码写入只读内存实现

2. 程序启动阶段：

   • 程序开始执行后，首先调用main函数
   • 正式进入程序代码执行流程

3. 运行时内存管理：

   • 程序使用运行时堆栈（stack）存储函数的局部变量和返回地址
   • 同时使用静态内存（static）存储变量，这些变量的值在整个程序执行期间保持不变

4. 程序终止阶段：

   • 正常终止：通过main函数返回实现
   • 异常终止：程序意外终止的情况