编译和链接
1. 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。
第一种是翻译环境，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）。
第二种是执行环境，它用于实际执行代码。
2. 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？那接下来我们一起来了解一下翻译环境的任务吧。
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（也可称为：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。
接着再把编译器展开成下图中的三个过程：
2.1 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：
c
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：
#define- 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。
2.2 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。
编译过程的指令如下：
c
gcc -S test.i -o test.s对下面的代码进行编译的时候，是怎么进行相应的操作的呢？
c
array[index] = (index + 4) * (2 + 6);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地进行语法分析 ，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 |
2.2.2 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地语法信息。
2.3 汇编
汇编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的进行翻译，也不做指令优化。
汇编的命令如下：
c
gcc -c test.s -o test.o2.4 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。
比如：
在一个C语言的项目中有两个 .c 文件（ test.c 和 add.c ），代码如下：
test.c：
c
#include <stdio.h>
//test.c
//声明外部函数
extern int Add(int x, int y);
//声明外部的局部变量
extern int g_val;
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
int sum = Add(a, b);
printf("%d\n", sum);
printf("g_val = %d\n", g_val);
return 0;
}add.c：
c
int g_val = 2026;
int Add(int x, int y)
{
return x + y;
}我们已经知道，每个源文件都是单独经过编译器处理生成对应的目标文件。
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 文件中的 Add 和 g_val 变量。
我们在 test.c 文件中每一次使用 Add 函数和 g_val 的时候必须确切的知道 Add 和 g_val 的地址，但是由于每个文件是单独编译的，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。
3. 运行环境
- 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。