【C语言】编译和链接

一、编译环境和运行环境

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(二进制指令)
第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

二、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?这里我们就得展开开讲解一下翻译环境所做的事情。
其实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(有些书也叫预编译)、编译、汇编三个过程。

以window时环境为例

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.0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。

以 Linux（gcc）环境为例

简单大概流程

2.1 预处理

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

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。

编译过程的命令如下

gcc -S test.i -o test.s

是把C代码转换为汇编代码

2.2.1 词法分析

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)。

假设有下述代码

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

这个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。

比如下面从树的结点一个一个分析，都是整形相加自然是整形，但是如果里面有节点不是整形就会导致左右不对等，这样就会导致语法错误

2.3 汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的指令。每个汇编语背儿乎都对应一条机器指令（二进制文件）。就是根据汇编指令和机器指令的对照表–的进行翻译，也不做任何优化。

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。

假设现在有这样两个文件

两个文件在分别执行 add.o 和 test.o 操作后， 形成了 add.obj 以及 test.obj 目标文件

因为要编译这两个文件，并产生两个符号表
假设 add.c 的 Add 的地址为 0x1000
假设 test.c 的 Add 的地址为 0x0000 ，main 的地址为 0x2000

这些目标文件在执行过程会链接在一起，形成一个可执行文件 test.exe

然后会把两个符号表合并在一起，对于 test.c 的 Add 的地址为 0x0000 会判定为无效引用，所以取add.c 的 Add 的地址为 0x1000

最后text.exe 的 Add 的地址为 0x1000 ，main 的地址为 0x2000

如下图所示

但如果我们不小心把 add.c 中的Add函数名写错了，写成了add，这就会导致在链接过程中，test.c文件里的Add地址仍存在，导致之后程序在执行过程中根据无效地址找不到真正的Add就会产生下图情况

三、运行环境

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叵地址。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。
4. 终止程序。正常终止main函数;也有可能是意外终止。

这篇文章大概率不详细，等笔者了解更多后会即使更新