C语言_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：
- 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）
- 执行环境：用于实际执行代码
2. 翻译环境
一个C语言的项目可能有多个.c文件一起构建，那多个.c文件是如何生成可执行程序呢？
- 多个.c文件单独经过编译器，编译处理后生成对应目标文件（补充：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（补充：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）
.c文件生成可执行程序就是翻译环境要做的事情
翻译环境是由编译和链接两个大过程组成的
2.1 编译
编译又可以分成预处理（预编译）、编译、汇编三个过程
如图：
2.1.1 预处理（预编译）
在预处理阶段，源文件和头文件都会被处理成.i为后缀的文件。若想在gcc环境下观察对test.c文件预处理后的.i文件，有如下命令：
gcc -E test.c -o test.i
预处理阶段主要处理哪些源文件中#开始的预编译指令。如：#include、#define。规则如下：
- 将所有的#define删除，并展开所有宏定义
- 处理所有条件编译指令，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，所以被包含的头文件也可能包含其他文件
- 删除所有注释
- 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息
- 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文件不包含宏定义，之前的宏已被展开。包含的头文件都被插入到了.i中
2.1.2 编译
编译过程就是将预处理后的文件进行词法分析、语法分析、语义分析及优化，生成相应汇编代码文件。命令如下：
gcc -S test.i -o test.s
为了体会编译的过程，我们以下面的代码为例：
array[index] = (index+4)*(2+6);
首先将源代码程序被输入扫描器，扫描器的任务就是简单进行词法分析，上面程序进行词法分析后得到16个记号：
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（以表达式为节点的树）。如下：
由语义分析器来完成语义分析，编译器做的分析是语义的静态分析。静态语义分析指的是声明和类型的匹配、类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息
2.1.3 汇编
汇编器可以将汇编代码转换成机器可执行的指令，每一个汇编语句几乎都对应一个机器指令。根据汇编指令和机器指令对照表一一翻译，不做指令优化
汇编命令如下：
gcc -c test.s -o test.o
2.2 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
链接主要包括：地址和空间分配、符号决议、重定位等步骤
链接解决的是一个项目中多文件、多模块直接互相调用的问题
举个例子：
在一个C的项目中有2个.c文件（test.c和add.c）
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;
}
add.c:
int g_val = 2022;
int Add(int x, int y)
{return x+y;
}
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 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
- 程序载入内存：在有操作系统的环境中，此步由操作系统来完成；在独立的环境中，程序的载入必须手动安排，也可能是通过可执行代码置⼊只读内存来完成
- 程序执行开始：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（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函数或意外终止