【C语言】编译与链接:深入理解程序构建过程

简介: 【C语言】编译与链接:深入理解程序构建过程

一、翻译环境和运行环境

ANSI C是由美国国家标准协会ANSI)及国际标准化组织(ISO)推出的关于->C语言的标准。在ANSI C的任何一种是实现中,存在两个不同的环境。

  • 翻译环境:环境中源代码被转换为可执行的机器指令(二进制指令)
  • 执行环境:用于实际执行代码


二、翻译环境

翻译环境是由编译和链接两个大过程组成的,将源代码转换为可执行的机器指令,编译又可以分解成:预处理(预编译)、编译、汇编三个过程。

说明】:

  • 多个.c文件单独经历编译处理生产对应的目标文件
  • 多个目标文件和链接库一起经过链接器处理生成可执行程序
  • 链接库是指运行时库(支持程序运行的基本库函数集合)或者第三方库

(目标文件:windows环境下后缀为.obj,Linux环境下后缀为.o)


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

预处理阶段主要处理源文件中如下规则:

  • 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


2.2 编译

编译过程:将预处理后的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析以及优化,生成相应的汇编代码文件

编译过程命令:

gcc -S test.i -o test.s

比如:对下列表达式进行处理:

nums[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

将对扫描产生的记号进行语法分析,从而产生语法树(以表达式为节点的树)。

2.2.4 语义分析

语义分析器完成语义分析,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

由汇编器将汇编代码转为机器指令(二进制指令),每一句汇编语句几乎都对应一条机器指令。按照汇编指令和机器指令的对照表进行一一的进行翻译,不做指令优化

汇编的命令如下:

gcc -c test.s -0  test.o

2.4 链接

一堆文件链接在一起生成可执行程序,为解决一个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题。

主要过程:地址和空间分配,符号决议和重定位等步骤

<test.c>
    extern int g_val;
extern Add(int x,int y);
int main()
{
    int a=10;
    int b=20;
    Add(a,b);
    printf("%d",g_val);
    return 0;
}
<Add.c>
    int g_val=10;
int Add(int x,int y)
{
    return x+y;
}

说明】:每个源文件多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

其中在test.c文件中使用extern声明其他文件的外部符号。在test.c文件中使用Add函数和g_val变量时,必须需要知道Add函数和g_val变量的地址,但是由于每个文件是单独编译的,在编译器test.c时并不知道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 。等到最后的链接操作由链接器根据引用符号Add在其他模块中查找Add函数的地址,然后将test.c中所用引用到Add的指令重新修正,让调用Add的指令的目标地址成为真正Add函数的地址,对于全局变量g_val也是类似的方法修改地址。这个地址修改的过程也被称为:重定位。


三、运行环境

  1. 程序必须载入内存中,在操作系统的环境下:一般这个由操作系统完成在独立的环境下: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的
  2. 程序的执行开始–>调用main函数
  3. 开始执行程序代码。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内存,存储在静态区的变量,生命周期跟程序的整个执行过程一样长。
  4. 终止程序。正常终止main函数,也可能异常终止。



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