【C语言学习】编译和链接

一、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：
①翻译环境：源代码被转换成可执行的机器指令（二进制指令）；
②执行环境：实际执行代码。

二、翻译环境

翻译环境由编译和链接两个大的过程组成，编译又可以分为：预处理（预编译）、编译、汇编。
一个C语言项目可能有多个.c文件一起构建，如何生成可执行程序呢？
①多个.c文件单独经过编译器，编译生成对应的目标文件；
注：在Windows环境下目标文件后缀是.obj，linux环境下目标文件后缀是.o
②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；
③链接库是指运行时库（它是支持程序运行的基本函数集合）或或者第三方库。
编译、链接具体操作如下：

Linux环境下，gcc编译器编译和链接过程：

2.1 预处理（预编译）

源文件和头文件被处理成.i为后缀的文件。
预处理阶段主要处理那些#开头的预编译指令：
（1）所有的#define删除，并展开所有的宏定义。（比如，#define M 100，程序中所有变量M会被当成100）
（2）处理预编译指令，如#if、#ifdef、#elif、#else、#endif。
（3）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，也就是说包含的头文件也可能包含其他文件。
（4）删除所有的注释。
（5）添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等。
（6）保留#pragma的编译器指令，编译器后续会使用。
经过预处理（预编译）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。
Linux环境下，gcc编译器命令：gcc -E test.c -o test.i

2.2 编译

这个过程把C语言代码翻译成汇编代码，涉及词法分析、语法分析、语义分析及优化。
Linux系统，gcc编译器命令：gcc -S test.i -o test.s
假设代码：array[index] = (index + 4) * (2 + 6);

2.2.1 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）。

2.2.2 语法分析

用语法分析器对扫描产生的记号进行语法分析，从而产生语法树。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，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

汇编是将汇编代码转变成机器可执行的指令（二进制指令），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进行翻译，也不做指令优化。
Linux环境下，gcc编译器汇编指令：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能生成可执行程序。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。
什么是重定位？
例如：在一个C语言项目中有2个.c文件（test.c和add.c）。


两个.c文件中都有g_val和Add，每个.c文件都会为它们分配内存空间。
在test.c文件中每使用一次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，在编译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连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叫做：重定位。

三、运行环境

（1）程序必须载入内存。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），储存函数的局部变量和返回地址。程序同时也可以使用静态内存，储存于静态内存中的变量在程序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，也可能是意外终止。