在ANSI C的任何一种实现中,存在两个不同的环境:
第一种就是编译环境,在这个环境中源代码被转换成可执行的机器指令(二进制指令)
第二种是执行环境,它用于实现执行代码
翻译环境
其实翻译环境就是指编译和链接两个大的过程,而编译又可以分解成:预处理、编译、汇编三个过程。
对于一个C语言的项目,可能有多个.c 文件,而多个.c文件有如何通过扁你链接生成可执行程序的呢?
- 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
- 在windows环境下目标文件的后缀是.obj ,在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连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)
以gcc为例,拆解编译链接的过程
预编译(预处理):
在预处理阶段,源文件和头文件会被处理形成 .i 为后缀的文件
在gcc环境下观察一下,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。例如:#include ,#define处理规则如下:
- 将所有的 #include 删除,并展开所有的宏定义
- 处理所有的文件编译指令,如: #if 、#ifdef、#elif、#else、#end if
- 处理所有的#include 预编译指令,将包含的头文件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
- 或保留所有的#pragma 编译器指令,编译器后续会使用
经过预处理后 .i 文件中就没有了宏定义(宏已经被展开)。包含的头文件也被插入到 .i文件中。所以我们无法知道宏的定义或者头文件包含是包含正确时,可以查看预处理之和的 .i文件来确认。
编译:
编译过程就是将预处理之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,生成相对应的汇编代码文件
编译过程的命令如下:
gcc -S test.i -o test.s
假设有以下代码,进行编译时,会怎么做呢:
array[index] = (index+4)*(2+6);
词法分析:
将源代码程序输入扫描器,扫描器的任务就是简单的进行词法分析,将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)
对上述代码就行此法分析:
语法分析:
语法分析就是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。
语义分析:
由语义编译器来完成语义分析,即对表达式的语法层面进行分析。编译器所能做的分析就是语义的静态分析。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:
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。就是根据汇编指令对机器指令的对照表一一对应的进行翻译,而不做指令优化
汇编的命令如下
gcc -c test.s -o test.o
链接:
链接是一个十分复杂的过程,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
链接的过程主要包括:地址和空间的分配、符号决议和重定位
链接解决的就是一个项目多个文件、多模块之间相互调用的问题
例如:在一个项目总有两个.c文件(test.c和add.c)
test.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include<stdio.h> extern Add(int x, int y); //声明外部函数 extern int years; //声明外部变量 int main() { int x, y; scanf("%d%d", &x, &y); printf("%d\n", Add(x, y)); printf("%d\n", years); return 0; }
add.c
int years = 2024; int Add(int x, int y) { return x + y; }
我们知道,每一个源文件都会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
在test.c 我文件中使用了add.c文件的Add函数和years变量;
在test.c文件中每一次使用Add函数和years变量时必须知道Add函数和years变量的地址,但是每一个文件都是单独编译的,在编译器编译test.c的时候并不知道Add函数和years变量的地址,所以就暂时把调用Add的指令和目标的地址和years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函数的指令进行重新修正,让他们目标地址变成真正的Add函数的地址,对于全局的变量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。
编译链接是一个十分复杂的过程,这里简单讲解以下大概过程,感兴趣可以看《程序员的自我修养》一书来详细了解
执行环境
- 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来完成。在独立的环境中,程序的载入必须手工安排,也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。
- 程序的执行便开始,接着便调用main函数。
- 开始执行程序代码,这时候程序会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它们的值。
- 终止程序,正常终止main函数;也可能意外终止。