C语言 — 编译和链接

1.程序从源文件到结果输出的执行过程

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2.预处理

预处理阶段的执行操作：

预处理阶段会将#define定义的常量或宏进行替换，经过预处理后的文件#define的语句就不存在；

预处理阶段会将注释进行删除，并对行号进行标识；

预处理阶段会处理#include包含的头文件，将其内容进行插入，此过程是可以递归进行的，因为包含的头文件中可能包含其它头文件；

预处理阶段会处理#if #endif #elif #ifdef #else的条件编译指令，对表达式进行判断处理；

预处理阶段会保留所有#pragma指令。

以下为简单例子展示,创建三个文件:Add.h,Add.c,test.c

//Add.h文件
#pragma once//防止头文件重复包含//类似效果
//#ifndef C //判断是否没有定义符号M
//
//#define C //定义符号C
//
//#include<stdio.h>//重复包含多次
//#include<stdio.h>
//#include<stdio.h>
//
//#endif//结束#ifenf条件判断指令#include<stdio.h>#ifndef M //判断是否没有定义符号M#define M 100//定义符号M#endif//结束#ifenf条件判断指令#define N 200int Add(int x, int y);//函数声明

//Add.c文件
#include"Add.h"//包含头文件
//函数定义
int Add(int x, int y)
{return (x + y);
}

//test.c文件
#include "Add.h"//包含头文件int main()
{//输出两个数的和printf("%d", Add(M, N));return 0;
}

将以上代码在VS环境下输入后Ctrl + S保存，打开文件保存的位置，点击输入cmd后回车，打开cmd.

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打开cmd后需要输入指令，将源文件转变为.i为后缀的中间文件

gcc -E test.c -o  test.i

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gcc是一个编译器，需要下载相应的插件才可以使用，具体流程可以参考以下文章：

https://blog.csdn.net/qq_36318563/article/details/140336690

以上文章可能介绍的网站打不开，可以使用以下链接：MinGW下载

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输入以上指令后会生成一个test.i的文件，可以在VS2022中打开观察

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因为头文件的插入有400多行代码，以上就不做过多的展示，最后可以看到处理后的#define定义的常量和条件编译指令进行了处理和替换，并将注释删除。

3.编译

编译阶段会进行词法分析，语法分析和语义分析及优化，以下面例子为参考

  arr[n] = i + 1;

3.1 词法分析

词法分析阶段会将语句的标识符，操作符，数字进行标记，以上语句可以得到以下标记

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3.2 语法分析

语法分析阶段会根据标记生成语法树，语法树是根据表达式为节点的数。
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3.3 语义分析

语义分析阶段是对语法层面的意思进行转换，包括声明，类型的匹配和转换等，此时会报告错误信息，经过语义分析后的语法树。

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3.4 生成test.s文件

对test.i的中间文件通过以下指令编译生成test.s的文件

gcc -S test.i -o test.s

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将生成的test.s文件在VS2022中打开，文件内容是汇编代码。

	.file	"test.c".text.globl	_Add.def	_Add;	.scl	2;	.type	32;	.endef
_Add:
LFB10:.cfi_startprocpushl	%ebp.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8movl	%esp, %ebp.cfi_def_cfa_register 5movl	8(%ebp), %edxmovl	12(%ebp), %eaxaddl	%edx, %eaxpopl	%ebp.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4ret.cfi_endproc
LFE10:.def	___main;	.scl	2;	.type	32;	.endef.section .rdata,"dr"
LC0:.ascii "%d\0".text.globl	_main.def	_main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
_main:
LFB11:.cfi_startprocpushl	%ebp.cfi_def_cfa_offset 8.cfi_offset 5, -8movl	%esp, %ebp.cfi_def_cfa_register 5andl	$-16, %espsubl	$16, %espcall	___mainmovl	$200, 4(%esp)movl	$100, (%esp)call	_Addmovl	%eax, 4(%esp)movl	$LC0, (%esp)call	_printfmovl	$0, %eaxleave.cfi_restore 5.cfi_def_cfa 4, 4ret.cfi_endproc
LFE11:.ident	"GCC: (MinGW.org GCC-6.3.0-1) 6.3.0".def	_printf;	.scl	2;	.type	32;	.endef

4.汇编

汇编过程是将汇编代码转换为二进制代码，每一条汇编语句都代表一条指令，将汇编语句与机器语句通过对照表转换，不做任何优化，通过以下指令将test.s的文件转换为test.o的目标文件。

gcc -c test.s -o test.o

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打开test.o的文件，可以观察到都是二进制的编码

L?.textH? 0`.data@0?bss€0?rdataL@0@/4$P@0@/15Xt?@0@U夊婾婨衇肬夊冧饍?枨D$惹$d柩塂$?$韪擅悙%dGCC: (MinGW.org GCC-6.3.0-1) 6.3.0zR|?
A?B
I?<9A?B
u?6; @.file?gtest.c_Add _main.textF.data.bss.rdata#$X___main _printf ..rdata$zzz.eh_frame.rdata$zzz.eh_frame

5.链接

链接过程主要处理地址和空间分配，符号决议和符号重定位等操作，最后通过链接库链接生成可执行程序。

例子：

add.c文件int n = 100;//全局变量int Add(int x,int y)
{return x + y;
}

test.c文件extern int n;//声明外部符号
extern int Add(int ,int)//声明外部符号int main()
{int r = Add(2,3)；printf("r = %d",r);printf("n = %d",n);return 0;
}

地址和空间分配在链接过程，每一个.o为后缀的文件生成后都会有对应的符号表，对于add.o文件和test.o文件如下：一般符号标记录的是函数名和全局变量或静态变量。

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因为test.c文件中的n和Add是外部符号，在链接前并不确定这些外部符号的具体地址，系统会随机分配一个虚假的地址；有了各自文件的符号表就可以进行符号的决议和重定位。

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通过以上过程确定最终的符号表，再通过链接库的链接就可以生成可执行程序，可以通过以下的指令

//因为需要test.o和Add.o文件进行链接，此时有了test.o文件，再生成一个Add.o的文件gcc -c Add.c -o Add.o

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有了test.o和Add.o文件就可以通过链接库链接生成可执行程序，使用以下指令

//生成一个test.exe的可执行程序
gcc test.o Add.o -o test

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6.运行

运行过程需要在运行时环境下进行，可执行程序的运行必须先将程序植入内存，在操作系统中，一般由操作系统完成；调用函数时会开辟运行时堆栈（即函数栈帧的创建）,一般函数是从main函数进入，在开辟过程会保存局部变量和函数的地址，全局或静态变量会存储于静态区，直到函数销毁而销毁，最后随main函数的结束而终止程序，并输出结果。

对应可执行程序在cmd指令中直接输入文件名后回车即可输出结果：