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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。
2. 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（也叫预编译）、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
- 多个.c文件经过单独编译处理，生产对应的目标文件
- 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。
如果把编译器展开成3个过程，就变成了下面的过程：
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.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：
1 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：
1 gcc -S test.i -o test.s
2.2.1 词法分析
有一个例子：
对下面代码进行编译的时候，会如何做？
1 array [ index ] = ( index + ) * ( 2 + 6 );
将源代码程序输入扫描器，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：
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：
1 gcc -c test.s -o test.o
2.4 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的项目中有2个.c文件（ test.c 和 add.c ），代码如下：
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
在 test.c 的文件中使用了 add.c 文件中的 Add 函数和 g_val 变量。
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。
总结
编译和链接是软件开发中非常重要的步骤，可以将一个大型的应用程序分解成更小、更好管理的模块，这些模块可以独立地修改和编译。这样可以并行开发，提高团队协作的效率。编译程序生成的目标代码的执行速度通常比解释执行的程序要快。这是因为编译型语言在程序运行前就已经转换为机器语言，而解释型语言需要在运行时逐行翻译，这会增加额外的时间开销。编译过程中可以进行各种优化，比如删除未使用的代码、优化数据结构等，以减少程序运行时的内存占用。了解编译链接的过程有助于开发者更好地理解程序的运行机制，从而在编写代码时避免一些安全漏洞。例如，在写游戏外挂或者进行系统级编程时，对内存地址映射和模块加载的理解是非常重要的。编译过程中的错误检查可以帮助开发者更早地发现源代码中的问题，而不是等到程序运行时才暴露出来。了解编译链接过程有助于在不同平台间迁移和优化代码，尤其是在涉及多种操作系统和硬件架构的情况下。通过编译链接，可以只发布已经编译过的二进制代码，而不是源代码，这样可以保护知识产权，防止源代码被轻易获取和修改。
总之，编译和链接不仅是程序开发的必要步骤，而且对于提高开发效率、优化程序性能和安全性、以及进行跨平台开发等方面都有着重要的作用。对于希望深入理解程序运行机制的开发者来说，掌握编译链接的知识是非常有价值的。
前面非常简洁的讲解了一个C的程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过程，其实很多内部的细节无法展开讲解。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，如果有兴趣，可以看《程序的自我修养》一书来详细了解。
