【C语言】:编译与链接

简介: 【C语言】:编译与链接

前言

我们写一个程序,例如test.c或是test.h这些源文件,头文件,事实上这些代码都是文本文件,但是计算机能够看得懂,并且直接执行这些C语言代码吗?答案是不能。计算机能够执行的是二进制指令。 所以文本文件需要通过编译,链接等一系列处理变成二进制文件

实际上计算机的编译和链接是一个十分复杂的过程,这篇文章只是非常简洁的讲解了一个C的程序是如何编译和链接,到最终生成可执行程序的过程,其实很多

内部的细节无法展开讲解。如果你有兴趣,可以看 《程序的自我修养》 一书来详细了解

1. 翻译环境与运行环境

1.翻译环境与运行环境

在ANSI C(美国国家标准协会制定的C标准)的任何⼀种实现中,存在两个不同的环境。

第1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2种是执⾏环境,它⽤于实际执⾏代码。

2.翻译环境:预编译+编译+汇编+链接

那翻译环境是怎么将源代码转换为可执⾏的机器指令的呢?这⾥我们就得展开开讲解⼀下翻译环境所做的事情。

其实翻译环境是由编译链接两个⼤的过程组成的,⽽编译⼜可以分解成:预处理(有些书也叫预编译)、编译汇编三个过程。

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 ⽂件单独经过编译器,编译处理⽣成对应的⽬标⽂件。
  • 注:在Windows环境下的⽬标⽂件的后缀是 .objLinux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。

如果再把编译器展开成3个过程,那就变成了下⾯的过程:

由于这些过程需要用gcc才能更好的拆解调试,此处就不做具体调试说明。

2.1预处理(预编译)

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。

在 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:

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。

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。

2.2 编译

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。

编译过程的命令如下:

gcc -S test.i -o test.s

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);

2.2.1 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)。

上⾯程序进⾏词法分析后得到了16个记号:

2.2.2 语法分析:

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。这些语法树是以表达式为节点的树。

2.2.3 语义分析:

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。

2.3 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

上面的过程步骤如下:

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.cadd.c ),代码如下:

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;
}

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

链接过程大致如下:

3. 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。
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