C语言编译与链接（基础）¶

在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境

1. 翻译环境：源代码被转换为可执行的机器指令
2. 运行环境：实际执行代码

翻译环境¶

翻译环境是由编译和链接两个过程组成的，而其中的编译过程可以分解成：预处理（也称预编译）、编译、汇编三个过程

当一个C语言项目（工程）中包含多个.c为后缀的源文件时，将执行下面的步骤生成可执行程序

1. 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（目标文件也是二进制文件）

1. 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。

编译过程¶

预处理过程¶

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，预处理阶段主要处理那些源文件中#开始的预编译指令

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gcc下生成.i文件的命令
gcc -E test.c -o test.i

预处理过程处理规则：

1. 将所有的 #define 删除，并展开所有的宏定义
2. 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，即被包含的头文件也可能包含其他文件

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源代码中：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

#define MAX 100

int main()
{
    printf("%d\n", MAX);

    return 0;
}

预处理后的代码：

int main()
{

    printf("%d\n", 100);

    return 0;
}

1. 处理所有的条件编译指令，如： #if、#ifdef、#elif、#else、#endif
2. 删除所有的注释（本质是将注释替换为空格）
3. 添加行号和文件名标识，方便后续编译器生成调试信息等
4. 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。当需要查看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

编译过程¶

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以及符号汇总

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gcc下生成.s文件的命令
gcc -S test.i -o test.s

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）

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例如对于以下代码：
array[index] = (index + 4) * (2 + 6);

进行词法分析后得到：

语法分析¶

在语法分析过程中，语法分析器将对扫描产生的记号进行语法分析，产生语法树。这些语法树是以表达式为节点的树

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

生成符号汇总¶

对文件中的每个函数生成对应的符号

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add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    return 0;
}

对于上面的实例代码中，在编译过程中将生成两张符号汇总表

对于add.c的符号汇总表

对于test.c的符号汇总表

汇编¶

在汇编过程中，汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的指令，每一个汇编语句基本上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，并且此过程会将在编译过程中生成的符号汇总转化成符号表

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gcc下生成.o文件的命令
gcc -c test.s -o test.o

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add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    return 0;
}

对于上面的实例代码中，在汇编过程中将两张符号汇总表转化成符号表

对于add.c的符号汇总表

对于test.c的符号汇总表

链接过程¶

链接过程主要包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等过程

链接解决的是⼀个项目（工程）中多文件、多模块之间互相调用的问题

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add.c中
int add(int x, int y)
{
    return (x + y);
}

test.c中

extern int add(int x, int y);

int main()
{
    int ret = add(3, 5);
    printf("%d\n", ret);

    return 0;
}

因为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，即test.c文件经过编译器处理生成test.o，add.c文件经过编译器处理生成add.o文件

重定位：在 test.c 文件中每一次使用 add 函数的时候必须确切的知道 add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 函数的地址，所以暂时把调用 add 的指令的目标地址搁置（即符号表中的无效地址）。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实际存在的 add 函数的地址

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）（也称为函数栈帧），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。
4. 终止程序。正常终止main函数或者意外终止main函数