【C语言编译与链接】--翻译环境和运行环境，预处理，编译，汇编，链接

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一.翻译环境和运行环境

--在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境：

1. 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)。
2. 执行环境，它用于实际执行代码。

二.翻译环境

--那么我们翻译环境是怎么把源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得详细的了解一下翻译环境所做的事。

翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成，而编译又可以分解成：预处理(预编译)，编译，汇编这三个过程。

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 .obj ，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。

我们再把编译器展开为3个过程看看(以gcc为例)，如下图：

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。如果我们想要在gcc环境下进行观察对test.c文件预处理后的.i文件，命名如下：

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，处理的规则如下所示：

• 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。
• 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。

这里先简单的介绍一下，后面会更新预处理详解来更加深入的分享预处理的相关知识。

2.2--编译

--编译过程就是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，生成相应汇编代码文件。

编译过程的命令如下：

1. 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：

1. 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，自变量，特殊字符等)。

上面的代码进行词法分析后得到了如下16个记号：

2.2.2--语法分析

接下来语法分析器将会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

由 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变成机器可执行的指令（2进制的指令），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：

1. gcc -c test.s -o test.o

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.c 和 add.c ），代码和图示如下：

test.c:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>

//声明外部符号的
extern int g_val;
extern int Add(int, int);

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = Add(a, b);
	printf("c = %d\n", c);
	printf("g_val = %d\n", g_val);

	return 0;
}

add.c:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

int g_val = 2025;//全局变量
int Add(int x, int y) //函数
{
	return x + y;
}

运行结果：

编译过程图示解析：

我们来思考两个问题：

1. 我们能不能把add.c里的代码全部注释掉？
2. 我们能不能只吧add.c里的Add改成ADD或者add？

答案是都不可以，无论是上述那种情况，最后都会发生编译错误。

三.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。

往期回顾：

【通关文件操作(上)】--文件的意义和概念，二进制文件和文本文件，文件的打开和关闭，文件的顺序读写

【通关文件操作(下)】--文件的顺序读写(续)，sprintf和sscanf函数，文件的随机读写，文件缓冲区，更新文件

结语:本篇文章就到此结束了，继前面一篇文章后,在此篇文章中给大家分享了编译与链接中的翻译环境和运行环境，预处理，编译，汇编，链接等知识点，后续会继续分享预处理的详解，如果文章对你有帮助的话，欢迎评论，点赞，收藏加关注，感谢大家的支持。