“ Hello world ”中的秘密之【C语言程序编译和链接】

简介: 作为C语言最经典的代码,大家都可以轻易写出。但是代码的运行过程却很少有人清楚,接下来我将介绍代码运行的奥秘。

C语言程序编译和链接

#include<stdio.h>
int main()
{
  printf("Hello world\n");
  return 0;
}

作为C语言最经典的代码,大家都可以轻易写出。但是代码的运行过程却很少有人清楚,接下来我将介绍代码运行的奥秘。

1.1运行过程

实际上,运行过程中包括四个过程:预处理,编译,汇编,链接。

具体过程如下:

1.1.1 预编译 (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。

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:

1 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。

注意:

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。

1.1.2 编译

编译环节是比较复杂的,包含一系列词法分析,语法分析,语义分析以及优化后生成相应的汇编语言代码文件。这个过程是整个程序最重要的过程

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)。

通过 lex的程序可以做到快速扫描词法,帮助开发者不需要为每个编译器开发相应词法扫描器。

语法分析

在进行完词法分析后,会生成相应记号,然后对记号进行语法分析,从而产生语法树。该过程采用“上下文无关语法”的分析手段(该语法我尚且不了解,如有需要可自行查找)。

语法树类似于:

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

可见一个语句被拆解为不同板块,同时进行操作符的优先级的记录等过程。

并且和上面的lex程序一样语法分析有yacc程序帮助解析过程。

语义分析

在该过程中会将不同语句分段并标明类型,如下:

汇编

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。

汇编的命令如下:

gcc -c test.s -o test.o

这样我们就生成了汇编语言文件。(这个过程是比较复杂的

1.1.3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:

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;
}

此时存在两个源文件,我们已经知道,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。

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。


经过这些处理我们会成功运行程序

2.1 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;也有可能是意外终⽌。

运行环境对代码程序运行也有重要作用。

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