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【C进阶】——我们写的代码是如何一步步变成可执行程序（.EXE）的？

这篇文章，我们来探讨一下，我们写的代码，是如何一步步变成可执行程序，最终运行得出结果的，一起来学习吧！！！1. 程序的翻译环境和执行环境在ANSI C（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）的任何一种实现中，程序都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。第2种是执行环境，用于实际代码执行。也就是说：我们写好的任何一个源代码，到最终产生结果，都要经历这两个环境。比如，我们写好了一个test.c的源文件，它需要先经过翻译环境生成可执行程序test.exe，然后再经过执行环境产生最终的结果。2. 翻译环境详解2.1翻译环境介绍对于翻译环境呢，又分为编译和链接1. 有时候我们的一个程序可能不止一个源文件，组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。2. 每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。3. 链接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中，最终生成可执行程序。那下面我们就在vs2022写一个代码，让大家粗略的感受一下编译和链接的这个过程：看这个程序，包含了两个源文件。那我们现在vs上对该程序生成解决方案：然后我们进入到文件所在路径进行观察：我们发现，经过编译过程，test.c和add.c已经生成了对应的目标文件。然后：链接器会把这些目标文件和链接库链接在一起，最终生成可执行程序。那因为在test.c中使用了add.c中的add函数，所以这两个源文件要被链接在一起，这我们能想通。那还有一个链接库，这是个什么鬼？大家有没有注意到我们刚才的程序中还使用到了一个库函数——printf，像这些我们调用到的标准C函数库中的函数，就是放在链接库中的，链接器也会引入标准C函数库中这些被程序所用到的函数。刚刚在上面的过程中我们提到了编译器和链接器这两个东西。而对于我们平时写代码使用的这些工具，就比如我现在使用的这个vs2022，它其实不单单有编译和链接的功能，我们平时用的这些工具，它们都是一个集成开发环境（IDE），像常见的有 Visual Studio、Dev C++、Xcode、Visual C++ 6.0、C-Free、Code::Blocks 等。集成开发环境就是一系列开发工具的组合套装，比如编辑器，编译器，链接器，调式器等。我们可以在上面编辑代码，编译和链接代码，以及调式代码等。这个大家了解一下。2.2 编译详解对于编译本身，又可以划分为3个阶段：预编译（预处理）、编译、汇编。下面我们一起来看一下：就还看上面那段代码，首先，大概的过程是这样的：紧接着我们就来分析一下其中的细节：注：接下来的大部分演示将在Linux环境下利用gcc进行，因为vs上面有些东西我们不好观察，所有有些操作大家不必关心，只要明白我们在干什么就行了。当然这里面用到的一些命令大家可以了解一下：预处理选项 gcc -E test.c -o test.i预处理完成之后就停下来，预处理之后产生的结果都放在test.i文件中。编译选项 gcc -S test.c编译完成之后就停下来，结果保存在test.s中。汇编 gcc -c test.c汇编完成之后就停下来，结果保存在test.o中。然后我们写这样一段代码：我们接下来对我们写的源文件test.c直接编译，然后生成了一个a.out的可执行程序，运行，我们看到成功打印了1到10的数字。但是我们刚刚直接完成了整个编译过程，并没有观察到其中的具体细节。2.2.1 预处理（预编译）下面我们就分别观察一下其中的细节：首先我们利用gcc -E test.c -o test.i让程序在预编译（预处理）之后停下来，并把内容输出到test.i文件中：我们看到里面有很多内容，八百多行，但里面包含了我们写的代码。那为什么多了这么多内容呢？大家有没有注意到我们在代码的第一行就包含了一个头文件stdio.h，那test.i中八百多行的内容中，在我们写的代码之前的那一大部分的内容是不是都是头文件带进来的内容。是的，预编译之后的test.i中前面的那么多内容都是来自头文件stdio.h的内容。我们可以验证一下，我们就打开一下stdio.h看看它里面的内容（具体操作大家不必关心）：我们能够看到它们里面的有些内容是完全一样的。那从这里我们就能够得出一个结论：在预编译阶段需要做的事情之一是头文件的包含这件事。那我们继续探讨一下，预处理阶段还会做其它哪些事情呢？我们现在对刚才的代码做一些修改：我们现在不打印数组的元素了，那自然stdio.h我们也不用包含了，然后我们又添加了一行注释，并用#define定义了一个标识符，赋给了变量m。然后我们再把预处理后的内容写到test.i文件中，一起来看一下：这次我们再来看，前面就没有那一大堆#include 带进来的东西了。因为这次我们把头文件的包含注释掉了。而且我们注释掉的代码和自己写的注释也没有出现在test.i中。另外，我们定义的标识符#define MAX 100，也没有，而是直接将MAX替换成了100。所以，我们就知道，在预编译阶段还做了：注释的删除#define定义的符号的替换当然，肯定还不止这些事情，我们现在只是大致了解一下，后面我们会给大家详细介绍预处理。2.2.2 编译那我们接下来就来研究一下编译阶段会发生什么？还是这段代码：我们这次让它在编译之后停下来，然后我们来观察：这时编译之后的内容，如果大家之前在自己的编译器上查看过汇编代码的话，会发现这和汇编代码非常像，其实这就是产生的汇编代码。所以，在编译过程中，会把预处理之后的C语言代码转换成汇编代码。那在转换的过程中，又会做什么呢？1.语法分析2.词法分析3.语义分析4.符号汇总那这几步又是干什么呢？大家如果不知道也没关系，不重要，不过这里我们需要去了解一下符号汇总。那接下来，我们就了解一下符号汇总我们再来写这样一段代码：我们知道这段代码在完成整个编译过程之后，就会产生对应的可执行程序（a.out）。而这个可执行程序是按照一定的文件格式来进行组织的，这个格式叫做elf，a.out文件的内部呢，按照这个格式会划分成一个一个的段，分别存放不同内容的数据，其中有一个叫做符号表的东西。那我们怎么查看a.out这个文件呢？我们去直接打开的话是不行的：不过我们可以使用vim编辑器打开它，但是我们也看不懂：因为a.out其实是个二进制的文件，不过我们可以借助readelf来查看。我们可以利用相关命令只看符号表的内容：我们发现，从中能找到一些我们在代码中定义的符号，我们定义的全局变量g_val，还有main函数和Add函数的函数名。但是我们定义的一些局部变量a,b,c好像并没有在里面找到。所以：符号汇总其实就会把我们程序中的这些全局变量，函数名这种符号给汇总起来。那这其实就是符号汇总的一个作用，为什么要单独解释一下符号汇总呢？因为在链接的部分我们需要用到这些知识。2.2.3 汇编那接下来就是汇编了，编译的最后一步。那经过汇编之后，编译结束，是不是就产生对应的目标文件了呢 ？是的。那我们现在执行相关的命令让它在汇编之后停止：我们发现汇编之后又多了一个文件test.o，这个文件其实就是生成的目标文件。而它，是一个二进制文件。而机器指令就是二进制的。所以：汇编这一步做的其实就是把汇编指令转化为二进制的机器指令。而生成的目标文件test.o其实也是elf格式的，我们打开她也能看到相关的符号：所以，除了把汇编指令转化为二进制的机器指令，这一步还会做什么呢？就是把上一步汇总的符号形成符号表。2.3 链接详解通过上面的学习，我们知道，整个编译过程完成后，会产生目标文件，然后链接器就要对这样目标文件进行链接了。那链接过程又会发生什么呢？1. 合并段表2. 符号表的合并和重定位2.3.1 合并段表那什么是合并段表呢？我们上面提到过生成的目标文件test.o其实也是elf格式的，而按照这个格式呢，会把文件分成一个一个的段，分别用来存放表示不同用途的数据。那就拿我们最开始在vs上写的那个代码来说：两个.c的源文件test.c和add,c，那编译之后就生成两个目标文件test.o和add.o，它们都是elf格式的文件，按同样的方式划分。而最终链接之后生成的可执行文件是不是也是elf格式的啊，那这个时候，它们就会把这些相同段的内容都放在一起，最终生成一个可执行程序：这就是合并段表。2.3.2 符号表的合并和重定位那符号表的合并和重定位又是什么呢？我们已经知道了在汇编阶段会生成符号表，这些符号往往是一些全局变量和函数名。我们还来看这段代码：那这两个文件最后要生成一个可执行文件呀，所以就需要对它们的符号表进行合并。那合并的时候就会有一个问题，两个文件中都有一个add符号，地址应该选哪一个呢？选add.c中的，为什么？因为函数add.c在test.c中只是声明了一下，而真正的函数add的实现是在add.c中的，所以，最终要选择add.c中函数add的地址作为最终add的地址：这就是符号表的合并和重定位。那这些东西有什么用处呢？当链接过程中进行了符号表的合并和重定位之后，test.c中main函数调用add的时候是不是就能通过符号表中重定位之后的有效的函数地址找到add函数并调用它。当然如果add.c中没有定义add函数，或者函数名我们写错的情况下，是不是也会因为符号表中没有有效的信息而报错。我们可以验证一下，相信大家也遇到过这种情况：如果调用时函数名写错呢？这就体现了符号表的用处。3. 运行环境最后，我们来了解一下一个程序执行的过程：程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中：这个过程一般由操作系统完成。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。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。终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。这篇文章，我们比较笼统的介绍了一个程序从编译到链接，再到最后执行的过程，下一篇文章，我们将详细的介绍一下预处理过程。这篇文章就到这里，希望能帮助到大家，也欢迎大家指正！！！

【C进阶】——C/C++程序的内存开辟及柔性数组详解

这篇文章我们一起来学习一下C/C++程序的内存开辟以及柔性数组！！！1. C/C++程序的内存开辟C和C++的内存开辟方式是非常类似的，这篇文章我们就来学习一下C/C++程序的内存开辟。在之前的文章里其实我们简单的介绍过C语言中的内存划分。大致可以分为：栈区，堆区和静态区：那今天，我们来更加细致的细致的讲解一下C/C++程序的内存开辟。首先，我们来看一张图：这张图更细致的划分了一下内存，接下来，我们就一个一个的就看一下：现阶段的学习中我们主要了解一下栈，堆，数据段和代码段就行了。1.内核空间首先第一个我们先来看内核空间，这块空间是用户代码不能读写的，也就是说，我们自己写的代码是不能访问这块空间的。2.栈这里的栈其实就是我们之前提到的栈区，栈区一般用来存放局部变量、函数的形参、调用函数时的返回值等临时变量。在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。3.内存映射段内存映射段用来存放文件映射、动态库、匿名映射等内容。4.堆堆就是之前提到的堆区，堆区是用来进行动态内存分配的，像malloc、calloc、realloc这些动态内存函数开辟的空间就是在堆区上的，一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。分配方式类似于链表。5.数据段（静态区）数据段其实就是我们之前所说的静态区，静态区主要用来存放一些全局变量以及静态数据（如static修饰的静态变量）等。程序结束后由系统释放。 6.代码段代码段存放的是可执行代码（函数体、类成员函数和全局函数的二进制代码。）和只读常量。有了这幅图，我们就可以更好的理解之前在《初始C语言——关键字static的作用》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁。所以生命周期变长。2. 柔性数组2.1 柔性数组的定义接下来我们再来学习一个新知识——柔性数组。也许大家可能没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。C99 标准中，结构体中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这个成员就叫做『柔性数组』成员什么意思呢？那接下来我们就来举个例子：struct S { int a; double b; int arr[]; }; 我们看struct S这个结构体类型，它就包含了一个柔性数组成员int arr[]，它的大小是未知的，我们并没有指定它的大小。如果你这样写了，在你的编译器上报错了无法编译，那可能是你的编译器不支持这种写法，你可以换成这种写法：struct S { int a; double b; int arr[0]; }; 这时两种不同的写法，可能有的编译器支持这种，有的支持那种。当然还要注意这中语法是C99 标准中才引入的。2.2 柔性数组的特点既然它叫柔性数组，呢这个“柔”怎么体现呢？接下来我们就来了解一下柔性数组的特点：结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员struct S { int arr[0]; }; 也就是说你不能写成像上面这样，柔性数组成员前面至少要有一个其它成员。struct S { int a; //.....;（至少一个其它成员） int arr[0]; }; sizeof 返回的这种结构体的大小不包括柔性数组的内存大小什么意思呢？就是我们用sizeof去计算这种包含柔性数组成员的结构体的大小时，不会加上柔性数组成员的大小。况且柔性数组没有指定数组大小，真要计算好像也没法算啊！我们来计算一个包含柔性数组的结构体的大小看看：#include <stdio.h> struct S { int a;//对齐数4 double b;//对齐数8 int arr[]; }; int main() { printf("%d", sizeof(struct S)); return 0; } 这个结构体大小，如果只看前两个成员，考虑对齐的话，应该是16个字节。我们打印出来看看：确实是16个字节，没有包含柔性数组的内存大小。包含柔性数组成员的结构体应该用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小什么意思呢？包含柔性数组成员的结构体应该用malloc ()函数进行内存的动态分配，这句话意味着我们不能像普通的结构体那样直接拿我们创建好的结构体类型创建结构体变量：比如像这样：#include <stdio.h> struct S { int a; double b; int arr[]; }; int main() { struct S s1; return 0; } 这段代码中struct S是一个包含柔性数组成员的结构体变量，但这里还是像普通的结构体一样创建了一个结构体变量。但这样其实是错误的用法。为什么这样不行呢？我们上面已经讲了，sizeof 返回的这种结构体的大小不包括柔性数组的内存大小，那我们直接像这样创建一个结构体变量，这个柔性数组成员是没有属于自己的空间的，那我们就没法使用它啊。那对于这种包含柔性数组成员的结构体，我们应该怎样正确的为它开辟空间，使得我们可以使用这个柔性数组呢?那就是上面说的，应该用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小比如：struct S { int a; double b; int arr[]; }; 我们就还拿这个包含柔性数组的结构体来说，假如我们想使用这个柔性数组，去存放4个整型数据。那我们就可以这样为它开辟空间：#include <stdio.h> struct S { int a; double b; int arr[]; }; int main() { struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4); return 0; } 前面sizeof(struct S)就是前面两个成员的大小，后面又加了一个sizeof(int) * 4就是为柔性数组开辟的空间，因为我们想往里放4个整型数据。2.3 柔性数组的使用那开辟好空间，我们就可以使用了：我们现在就给这个结构体的成员赋个值，然后打印一下看看，当然记得malloc的返回值我们还是要判断一下，使用完释放一下，把ps 置空。int main() { struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4); assert(ps); ps->a = 100; ps->b = 5.5; int i = 0; for (i = 0; i < 4; i++) { scanf("%d", &(ps->arr[i])); } printf("%d %lf\n", ps->a, ps->b); for (i = 0; i < 4; i++) { printf("%d", ps->arr[i]); } free(ps); ps = NULL; return 0; } 给柔性数组输入1，2，3，4，打印一下看看：没问题，这样做就成功为柔性数组开辟了空间，并且可以使用它。那讲到这里，大家是有没有对柔性数组的这个“柔性”有了一点自己的理解呢？大家想一下，我们刚才为柔性数组开辟了4个字节空间，如果我们不使用柔性数组，直接定义一个这样的结构体：struct S { int a; double b; int arr[4]; }; 直接包含一个int arr[4]这样的数组，那它是不是也能放4个整型啊。但是，这样的话，它的大小是不是就固定死了，就能放4个整型，想多放一个都不行。而我们使用柔性数组的话，是使用malloc为它开辟空间的，那我们跟据自己的需求，是不是可以使用realloc再调整柔性数组这块空间的大小啊。struct S* ptr=(struct S*)realloc(ps,sizeof(struct S) + sizeof(int) * 10); assert(ptr); ps=ptr; 这次调整，它就可以放10个整型了。可大可小，是不是有点那种所谓的“柔性”的意思了。2.4 柔性数组的优势那讲完柔性数组的使用，大家可能会想：柔性数组说到底，不就是搞了一个可大可小的数组嘛，那想要实现这样的功能，非得用柔性数组嘛。我们是不是也可以这样搞：struct S { int a; double b; int* arr; }; 我们定义一个int* arr这样一个成员变量，它指向的空间我们可以使用malloc为它开辟啊，如果大小不合适，我们就再使用realloc调整大小，这样是不是也可以达到上面柔性数组的效果啊。那为了和上面的代码保持一致，我们这里创建一个结构体变量是不是也把他所有的成员放到堆区上，那这里我们可以这样搞：struct S { int n; double s; int* arr; }; int main() { struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)); if (ps == NULL) return 1; ps->n = 100; ps->s = 5.5; int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int)); if (ptr == NULL) { return 1; } else { ps->arr = ptr; } //使用 int i = 0; for (i = 0; i < 4; i++) { scanf("%d", &(ps->arr[i])); } //调整 //realloc(ps->arr, 10*sizeof(int)); //打印 printf("%d\n", ps->n); printf("%lf\n", ps->s); for (i = 0; i < 4; i++) { printf("%d ", ps->arr[i]); } //释放 free(ps->arr); ps->arr = NULL; free(ps); ps = NULL; return 0; } 大家仔细看看这段代码。这样确实也是可以的。上述这两个代码可以达到同样的效果。那既然这样也可以，我们为什么还要搞一个柔性数组呢？因为柔性数组是有一些自己独有的优势的。那接下来，我们就对比一下这两段代码，看看柔性数组存在哪些优势：我们先来看一下第二段代码，仔细观察我们发现第二段代码用了两次malloc：第一次我们是定义了一个struct S*类型的指针ps，将它赋值为(struct S*)malloc(sizeof(struct S))，这样它指向的空间就是在堆区了，它指向的结构体变量就也是在堆区了（和上面代码保持一致）第二次我们malloc是为ps->arr，也就是为柔性数组开辟空间。那这样开辟了两次，有没有什么不好之处呢？那就是这两次开辟的空间有可能不是连续的，不连续的话它们之间就有可能形成内存碎片，而这些残留的空间以后也不太好被有效的利用起来了，这样可能就导致内存的利用率就下降了。而第一种我们使用柔性数组的方法：我们只malloc了一次，使得前两个成员和柔性数组成员放在了一块连续的空间。除此之外：第一种方法我们malloc开辟了两次，那我们就要free释放两次，除了要释放结构体指针指向的那块空间，是不是还要释放结构体指针指向的柔性数组成员所在的那块malloc开辟的空间啊。如果我们忘记释放了某一个，那是不是就造成内存泄漏了。所以通过这一点就体现了方法1（使用了柔性数组）的第一个优势：方便内存释放如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。而方法1使用柔性数组就达到了这样的效果。有利于提高访问速度连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（不过可能也高不了多少）总的来说，第一段代码使用了柔性数组，在某些方面还是比第二段代码更好一些的。好了，以上就是这篇文章的全部内容了，欢迎大家指正！！！