【C语言】 —— 编译和链接

一、编译环境和运行环境二、翻译环境2.1、 预处理2.2、 编译（1）词法分析（2）语法分析（3）语义分析

2.3、 汇编2.4、链接

三、运行环境

一、编译环境和运行环境

平时我们说写 C语言 代码，写程序，不难发现：其实写出来的都是

t

e

s

t

test

test.

c

c

c、

t

e

s

t

test

test.

h

h

h 等源文件和头文件。我们直接打开他们，是可以直接看懂的，这也就说明了他们其实是<code>文本文件。但是计算机是看不懂他们的，计算机只能识别二进制指令，无法对文件中的代码直接执行。这时就需要将 C语言 代码进行处理变成二进制的指令。

而将代码处理成二进制指令正是编译器需要做的事情。

在 ANCI C 的任何一种实现中，存在两个不同的环境:

翻译环境：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）执行环境：它用于实际执行代码

二、翻译环境

那翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得展开讲解一下翻译环境所做的事情

其实翻译环境是由编译和链接两大过程组成，而编译又可以分解成：预处理（有些书也叫预编译）、编译、汇编三个过程。

一个C语言的项目中可能由多个 .

c

c

c 文件一起构建，那多个 .

c

c

c 文件如何生成可执行程序呢？

多个 .

c

c

c 文件<code>单独经过编译器，编译处理生成对应的目标文件。在

W

i

n

d

o

w

s

Windows

Windows 环境下的目标文件的后缀是 .obj，在

L

i

n

u

s

Linus

Linus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）、C语言库函数或者第三方库。

这里需提一下，我们所用的

V

S

2022

VS2022

VS2022 是一种集成开发环境，包括：编辑器、编译器、链接器、调试器。而

c

l

cl

cl.

e

x

e

exe

exe 是其编译器，

l

i

n

k

link

link.

e

x

e

exe

exe 是其链接器

我们可以在

L

i

n

u

s

Linus

Linus 服务器、

g

c

c

gcc

gcc 的环境下对链接和编译各个阶段进行观察

2.1、 预处理

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理成 <code>.i 为后缀的文件。

在

g

c

c

gcc

gcc 中，将 .c 文件处理成 .h 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 # 开始的编译指令。比如：#

i

n

c

l

u

d

e

include

include，#

d

e

f

i

n

e

define

define，处理的规则如下：

将所有的 #

d

e

f

i

n

e

define

define 删除，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 #

i

n

c

l

u

d

e

include

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 #

p

r

a

g

m

a

pragma

pragma 的编译器指令，编译器后续会使用

经过预处理后的

.

i

.i

.i 文件不再包含宏定义，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

.i

.i 文件来确认。

t

e

s

t

test

test.

c

c

c 文件：

t

e

s

t

test

test.

i

i

i 文件：

.

i

.i

.i 文件只有输入指令生成后我们才能看到，正常情况下生成中间文件编译器用完就删掉了。

2.2、 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、语义分析及优化，生成相应的<code>汇编代码文件。

编译过程的命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

编译过程最终会生成 .s 的文件，它里面放的是汇编代码。其实编译阶段整体上就是将 C 代码转换成汇编代码

t

e

s

t

.

s

test.s

test.s 文件：

那编译过程具体是做了什么工作呢？

他们分别是：词法分析、语法分析、语义分析及优化

下面让我们一起简单了解

假设有下面的代码，在进行编译时会时编译器怎么做呢

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

（1）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，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）。

上述代码进行词法分析后得到了 16 个记号：

记号	类型	记号	类型
array	标识符	4	数字
[	左方括号	)	右圆括号
index	标识符	*	乘号
]	右方括号	(	左圆括号
=	赋值	2	数字
(	左圆括号	+	加号
index	标识符	6	数字
+	加号	)	右圆括号

（2）语法分析

接下来则是<code>语法分析。语法分析器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

（3）语义分析

由<code>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。这个阶段会报告错误的语法信息

2.3、 汇编

汇编是指通过汇编器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。就是按照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：

<code>gcc -c test.s -o test.o

经过汇编处理后文件即为目标文件（

.

o

b

j

.obj

.obj /

.

o

.o

.o）目标文件为二进制文件，无法通过文本编辑器打开

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。

链接的过程主要包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等这些步骤。

链接主要解决的是一个项目中多个文件、多模块之间互相调用的问题。

比如：现在有两个文件（

t

e

s

t

.

c

test.c

test.c 和

a

d

d

.

c

add.c

add.c）

t

e

s

t

.

c

test.c

test.c 文件

#incldue<stdio.h>

//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 c = Add(10, 20);

printf("%d\n", c);

return 0;

}

A

d

d

.

c

Add.c

Add.c 文件

int g_val = 2024;

int Add(int x, int y)

{

return x + y;

}

为什么在 Add.c 中定义的文件在 test.c 文件中声明一下就可以使用呢？

这里进行简单的了解

经过前面的学习，我们知道每一个源文件（

.

c

.c

.c）经过编译过程后都会生成自己的目标文件（

.

o

.o

.o /

.

o

b

j

.obj

.obj ）

在编译的过程中，会对代码中的符号进行符号的汇总，并形成相应的符号表，符号表中会存储符号相对应的地址。在产生

t

e

s

t

.

c

test.c

test.c 文件的符号表时，遇到只有声明而未定义的符号 Add 和 g_val 时，会暂时将其地址搁置。

到了编译过程，编译器会将多个目标文件链接在一起（目标文件的格式是一样的，并且是分段的形式），从而生成可执行程序（可执行策划给你续最终也是如目标文件一样的分段形式）

在合并过程中，符号表也需要合并成一份。合并后的符号表每个符号只能有一份，那 <code>Add 和 g_val 符号自然用其有效地址的那一份，这样符号表就完成了合并。通过

A

d

d

Add

Add 的地址，就自然而然能找到

A

d

d

Add

Add 函数了。

而上述对地址的修正过程被叫做：重定位

前面我们非常简洁的讲解了一个 C 的程序是如何编译和链接，到最终生成可执行程序的过程，其实很多内部的细节无法展开讲解。

比如：目标文件的格式

e

l

f

elf

elf，链接底层实现中的空间与地址分配，符号解析和重定位等，如果你有兴趣，可以看 《程序员的自我修养》 一书来详细了解。

三、运行环境

运行环境实际上是非常复杂的，我们这里简单了解了解

程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中：一般这个由<code>操作系统完成。在独立的环境中，程序的载入必须由手动安排（单片机烧板子），也可以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

m

a

i

n

main

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（函数栈帧），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

m

a

i

n

main

main 函数；也有可能是意外终止。

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好啦，本期关于编译和链接的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在C语言的学习路上一起进步！