【C 语言程序的编译和链接】详解编译链接过程

小编最近学完了 C 语言程序的编译和链接，下面是小编根据课上所学整理出来的关于 C 语言程序的编译和链接学习笔记

【版权与来源声明】

本文为 C 语言程序设计个人学习笔记，内容基于比特就业课鹏哥 C 语言课程课堂 PPT 与练习整理，仅作非商业学习分享。

课程原始课件、案例与知识点版权归属比特就业课及授课老师，本人仅做个人学习笔记梳理与归纳。

未经许可，任何单位及个人不得转载、摘编、复制或用于商业盈利，违者依法追责。

本文章仅做学习参考，非商业学习分享与盈利，如有侵权，请联系删除

为了便于观看程序编译链接的过程，这里建议大家使用 VS Code 软件来实现过程操作

一、编译和链接

在 ANSI C 的任何一种实现中，存在两个不同的环境

翻译环境：在这个环境中，源代码被替换成可执行的机器指令（二进制指令）

执行环境：它用于实际执行代码

1、翻译环境

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 （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 文件一起构成，那么多个 .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 环境下的目标文件的后缀是 .o
多个目标文件和链接库一起经过编译器处理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：

（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 .i 为后缀的文件

在 gcc 环境下观察，对 test.c 文件预处理后的 .i 文件，命令如下：

c 复制代码

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
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，生成对应的汇编代码文件

编译过程的命令如下：

c 复制代码

gcc -S test.i -o test.s

对下面的代码进行编译的时候，会怎么做呢？假设有下面的代码

c 复制代码

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

① 词法分析

将源代码程序输入 扫描器 ，扫描器的任务就是简单地进行 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 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

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

编译器 是将汇编代码转变成机器可执行的指令（2 进制的指令）

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地进行翻译，也不做指令优化

汇编的命令如下：

c 复制代码

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

连接过程主要包括：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

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：

c 复制代码

//test.c
#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 sum = Add(a, b);
	printf("%d\n", sum);
	return 0;
}

c 复制代码

// add.c
int g_val = 2022;

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

每个源文件都是单独经过编译器处理成对应的目标文件
- 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 中的 Add 函数和 g_val 变量
我们在 test.c 文件中每一次使用 Add 函数和 g_val 的时候必须确切地知道 Add 和 g_val 的地址
- 但是由于每个文件都是单独编译的，在编译器编译 test.c 的时候并不知道 Add 函数和 g_val 变量的地址
- 所以暂时把调用 Add 的指令的目标地址和 g_val 的地址搁置
- 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，让它们的目标地址为真正 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

2、运行环境

程序必须载入到内存中
- 在有操作系统的环境中：一般这个由操作系统来完成
- 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中一直保留着它们的值
终止程序
- 正常终止 main 函数
- 也有可能是意外终止

【版权与来源声明】

本文为 C 语言程序设计个人学习笔记，内容基于比特就业课鹏哥 C 语言课程课堂 PPT 与练习整理，仅作非商业学习分享。

课程原始课件、案例与知识点版权归属比特就业课及授课老师，本人仅做个人学习笔记梳理与归纳。

未经许可，任何单位及个人不得转载、摘编、复制或用于商业盈利，违者依法追责。

本文章仅做学习参考，非商业学习分享与盈利，如有侵权，请联系删除