C/C++程序的(编译,链接)翻译与运行

heoal_Y 2024-06-28 17:05:04 阅读 85

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前言:

1.程序环境

2.翻译环境

3.预处理(预编译)

4.编译

5.汇编

6.链接

7.运行环境

总结:


前言:

本篇来解释c/c++程序的翻译环境与运行环境中的过程,不同的编程语言的翻译环境类似,但是具体步骤可能有所差异,例如编译阶段,c/c++与java中的处理可能就不一样。

1.程序环境

在ANSI C的任何一种实现中,存在两种环境:

翻译环境:在这个环境中源代码被转换为了可执行的机器指令(二进制指令)。

执行环境:它用于实际执行代码。

2.翻译环境

 一个c语言项目可以由多个.c文件构成,那多个.c文件是怎么生成可执行程序的???

 多个.c文件单独经过编译器,编译处理生成了对应的目标文件(在windows下目标文件是.obj,在linux下目标文件为.o)。多个目标文件和链接库一起经过链接器的处理,最终生成了可执行程序。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。

我们以linux下的gcc为例,将编译器处理拆分为3个过程:

3.预处理(预编译)

预处理(预编译)不同的书籍上叫法不一样,在gcc环境下对一个test.c文件进行预处理:

gcc -E test.c -o test.i

 

预处理阶段主要处理那些源文件以#开始的预编译指令:

将所有的

#define

删除,并展开所有的宏定义,也就是宏替换。

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头件也可能包含其他头件,也就是头文件展开。

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。

4.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,语义分析以及优化,生成对应的汇编代码文件。

linux命令,执行翻译环境到编译停止:

gcc -S test.i -o test.s

 假设对下面的代码进行编译时,就会有:

array[index] = (index+4)*(2+6);

先经过词法分析,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),就会得到16个记号:、

例如:array为标识符,[,]分别为左方括号与右方括号,赋值乘加括号等。

接下来就是语法的分析,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:

然后就是语义分析, 

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。

经过语义标识后的语法数:

5.汇编

汇编指令:

gcc -c test.s -o test.o

汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的指令(二进制指令),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。

6.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。

例如有这样两个文件:

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

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

重定向

具体内容可以参考《程序员的自我修养》。

我们只需要知道,在编译阶段,如果没有确定函数的地址,就会在链接阶段再去确定。也就是说当前文件只有声明没有定义,call的时候就没有地址,就需要去链接,链接就需要去符号表(这里的符号表也就是上面提到的)里面找函数的地址;而也有定义的,在编译阶段就能拿到地址,直接call函数的地址就能找到这个函数。

知道这一点,我们再联系一下c++的内联函数就知道:

为什么要在头文件中定义内联函数了(声明定义不分离),因为内联函数不进符号表,所以如果只在头文件声明内联函数,我们在其它文件要调用这个内联函数的时候,编译阶段拿不到地址,然后就会等到链接阶段去符号表里找这个函数的地址,内联函数不进符号表,所以就错了,所以如果要包带有内联函数的头文件,这个内联函数必须要有定义,就是为了让内联函数走不到链接的步骤就找到地址了。

7.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。

总结:

程序环境的运行需要结合实际操作,结合所学知识,这样会慢慢的理解的更深,就比如让链接过程的要做的事和内联函数联系到一起,就明白了内联函数为什么要声明和定义不分离,在linux篇中还会加强对此部分的理解。



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