从test.c到test.exe-编译和链接的全过程

从 test.c 到 test.exe:一次搞懂编译和链接的全过程

我的github:(https://github.com/xcx55/ubuntu-linux-project)

感谢各位大佬参观我的github!!

本文整理自 C 语言「编译和链接」部分的笔记(鹏哥第 24 讲),核心问题只有一个:一个 Test.c 文本文件,是怎么一步步变成 test.exe 可执行文件的?


一、两个环境:翻译环境和运行环境

在 ANSI C 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(二进制指令);
  • 第 2 种是执行环境:它用于实际执行代码。

画成图就是这样:多个 .c 文件先进翻译环境 (编译 → 链接)变成可执行程序,再交给运行环境执行、输出结果。

复制代码
test1.c ─┐
test2.c ─┤→ [编译] → [链接] → 可执行程序 → 输出结果
test3.c ─┘
└────── 翻译环境 ──────┘  └──── 运行环境 ────┘

二、翻译环境的两大步骤:编译 + 链接

翻译环境由编译 和链接 两个大过程组成,而编译 又可以分解成:预处理(预编译)、编译、汇编三个过程------合起来就是著名的四步:

  1. 预处理(预编译)
  2. 编译
  3. 汇编
  4. 链接

以 gcc 为例,拆解整个过程,每一步的产物后缀都不同:

复制代码
源文件(.c) + 头文件(.h)
    │ 预处理
    ▼
预处理后的中间文件(.i)
    │ 编译
    ▼
编译后的中间文件(.s)
    │ 汇编
    ▼
目标文件(.o)
    │ 链接器(+ 链接库 libc.a ...)
    ▼
可执行程序

多个 .c 文件如何生成可执行程序?

  • 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:Windows 环境下目标文件后缀是 .obj,Linux 环境下是 .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(支持程序运行的基本函数集合)或者第三方库。

用 MSVC 的工具类比:编译器是 cl.exe,把每个 .c 变成 .obj;链接器是 link.exe,把所有 .obj 加上链接库,合成 xxx.exe。

三、第一步: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。gcc 命令:

bash 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,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------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 编译器指令,编译器后续会使用。

一个直观的验证:写一个只有 #include <stdio.h> 和几行 printf 的程序,执行 gcc test.c -E -o test.i,打开 .i 文件会发现它膨胀到了 800 多行 ------前面全是 stdio.h 递归展开的内容。 .i 文件中不再包含宏定义 (已被展开),头文件也都被插入了进来。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。

顺带一个细节:#define MAX 100 在 .i 里会直接变成 int a = 100;,MAX 这个名字彻底消失。

四、第二步: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。gcc 命令:

bash 复制代码
gcc -S test.i -o test.s

拿一行代码做例子,看编译器是怎么"读懂"它的:

c 复制代码
array[index] = (index+4)*(2+6);

4.1 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)。

上面那行代码词法分析后得到 16 个记号:

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

4.2 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:

复制代码
              赋值表达式 =
             /            \
       下标表达式[]      乘法表达式 *
        /       \          /        \
  标识符     标识符   加法表达式+   加法表达式+
  array      index   /      \      /     \
                   标识符   数字4  数字2   数字6
                   index

4.3 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。

对应到语法树上,就是给每个节点标注类型:array 是整型数组、index 是整型、各个子表达式都是整型------语义标识后的语法树。

五、第三步:汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的指令(二进制的指令) ,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。

bash 复制代码
gcc -c test.s -o test.o

打开 .s 文件能看到 .file/.text/.string/.globl main/pushq %rbp/movq %rsp,%rbp 这样的汇编代码;汇编之后得到的 .o 文件已经是二进制了,文本编辑器打开是乱码。

注:.o(Linux)就是前面 Ext 文件系统笔记里说的 ELF 目标文件;Windows 下对应 .obj。

六、第四步:链接

链接是一个复杂的过程,链接的时候需要把一堆文件(目标文件 + 链接库)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。

6.1 extern 怎么让多文件的声明共用?

比如两个文件:

c 复制代码
// add.c
int g_val = 2025;
int Add(int x, int y) { return x + y; }

// test.c
extern int Add(int, int);   // 声明外部符号
extern int g_val;
int main() {
    int a = 10, b = 20;
    int c = Add(a, b);
    printf("c = %d\n", c);
    printf("g_val = %d\n", g_val);
    return 0;
}

我的理解:将所有文件的符号作为一张位置表(符号表),再相互对比、结合、重定位,就得到一张新位置表,以后每次应用就照表查询。

  • add.obj 的符号表:g_val → 0x100、Add → 0x200
  • test.obj 的符号表:Add → ?、g_val → ?(未定义,只有声明)、main → 0x300
  • 链接 时把两张表合并对比:test.obj 里悬空的 Add、g_val 在 add.obj 中找到了真实地址,重定位之后 test.exe 的符号表就是完整的:
符号 地址
g_val 0x100
Add 0x200
main 0x300

调用 extern 声明的函数,本质就是一次符号表的查询。 如果表里查不到(定义根本不存在),链接器就会报"无法解析的外部符号"。

而头文件不一样:#include 是直接展开,声明被复制进了同一个编译单元里------这也是为什么头文件里一般只放声明,不然每个包含它的文件都各复制一份定义。

七、运行环境

生成 exe 之后,就轮到运行环境登场了:

  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它们的值;
  4. 终止程序。正常终止 main 函数;也有可能是意外终止。

总结

复制代码
test.c ──预处理(-E)──> test.i ──编译(-S)──> test.s ──汇编(-c)──> test.o ──链接──> test.exe
        删注释/展开宏/    词法→语法→语义     汇编指令           符号表合并
        条件编译/插头文件  分析+优化          一一对照           符号决议+重定位

四步里每一步的产物、每一步在干什么,对照着 gcc 的 -E、-S、-c 三个选项走一遍,编译链接就再也不神秘了------它不过是把文本,一层层翻译成机器能照着执行的表和指令而已。

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