C语言编译和链接

简介: ANSI C(American National Standards Institute C)是指按照美国国家标准协会(ANSI)定的C语言标准。在1989年,ANSI制定了一套C语言标准,该标准通常被称为ANSI C或C89(为了区别于后续的标准C99)。ANSI C标准被国际标准化组织(ISO)接受,并以ISO/IEC 9899:1990的形式发布。所以,ANSI C和ISO C代表的是同一种标准。

什么是ANSI C?

ANSI C(American National Standards Institute C)是指按照美国国家标准协会(ANSI)定的C语言标准在1989年,ANSI制定了一套C语言标准,该标准通常被称为ANSI C或C89(为了区别于后续的标准C99)。ANSI C标准被国际标准化组织(ISO)接受,并以ISO/IEC 9899:1990的形式发布。所以,ANSI C和ISO C代表的是同一种标准

在ANSI C的任何一种实现中,存在两个不同的环境:

第一种是翻译环境,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)

第二种是执行环境,它用于实际执行代码

翻译环境

翻译环境是经过编译链接的操作将源代码转换为可执行的机器指令



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⽂件单独经过编译出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

链接库(简单了解):      

        链接库是一种包含可重用代码的文件,用于在软件开发过程中实现代码的共享。链接库分为静态链接库和动态链接库两种类型。

静态链接库(.lib文件)的代码被包含在调用的可执行文件中,运行时不需要该静态链接库文件。静态链接库中不能再包含其他链接库。而动态链接库(.dll文件)可以被动态地引用和卸载,动态链接库中可以包含其他链接库。


动态链接库的链接方式有以下几种:


LoadLibrary函数用于根据路径加载动态库;

GetProcAddress函数用于根据函数名获取函数指针,但在运行时可能为空;

FreeLibrary函数用于卸载动态库。

       代码复用是提高软件开发效率的重要途径。无论是函数、数据类型、类还是模块和库,只要具有通用性,就可以构造成相对独立的功能模块并在不同项目中重复使用。复用可以分为源码级别的白盒复用和二进制级别的黑盒复用。


       白盒复用暴露了源代码,存在多份拷贝导致存储浪费,容易与普通代码发生命名冲突,更新功能模块也比较困难。黑盒复用,即静态链接库和动态链接库,一定程度上隐藏了源代码,缓解了代码耦合现象

其中,编译⼜可以分解成:预处理(预编译)、编译、汇编三个过程。



tips:

windows下:

目标文件后缀为.obj

可执行文件的后缀为.exe

Linux下:

目标文件后缀为.o

可执行文件没有后缀

预处理(vs环境下看不到变化需要在gcc环境下进行测试)

预处理阶段主要处理那些源⽂件中以#开始的预编译指令(#include等),处理的规则如下:

  1. 将所有的 #define 删除,并展开所有的宏定义
  2. 处理所有的条件编译指令,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的,也就是说被包含的头⽂件也可能包含其他头⽂件
  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(gcc环境下)。

编译(vs环境下看不到变化需要在gcc环境下进行测试)


 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。 对下⾯代码进⾏编译的时候,会怎么做呢?假设有下⾯的代码:

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

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、字⾯量等),上⾯程序进⾏词法分析后得到了16个记号:


符号 类型
array 标识符
[ 左方括号
index 标识符
] 右方括号
= 赋值
( 左圆括号
index 标识符
+ 加号
4 数字
) 右圆括号
* 乘号
( 左圆括号
2 数字
+ 加号
6 数字
) 右圆括号

语法分析

       词法分析所得的记号会被进行语法分析,产生的结果叫做语法树,即以表达式为节点的树

语义分析

       语法树会被进一步的进行语义分析,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。


汇编

#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()
add.c
int g_val = 2022;
int Add(int x, int y)
{
return x+y;
}

  汇编器是将汇编代码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。

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

     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 。

有关编译和链接的具体内容可以查看《程序的⾃我修养》来详细了解

执行环境

运行过程如下:

1. 将程序载⼊内存中(必须),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. 程序开始执行,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 ,正常情况下main函数完成后就会终止,也有可能是意外终⽌。


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