【C语言】编译和链接深度剖析

本文介绍: 本小节，我们学习翻译环境和运行环境，其中我们将学习编译环境的4个阶段：预编译，编译（词法分析，语法分析，语义分析），汇编，链接，文章干货满满！学习起来吧😃！这次阿森和你一起学习了 C语言程序从源代码到可执行文件的整个翻译过程。翻译环境指将源代码翻译成可执行程序的整个过程，运行环境指程序实际执行的环境。预处理(预编译)–>对源代码进行预处理，如宏替换、头文件包含等。编译 –>将预处理后的源代码进行词法、语法和语义分析，生成目标代码。词法分析：识别源代码中的标识符、关键字、运算符等词法单元。

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本小节，我们学习翻译环境和运行环境，其中我们将学习编译环境的4个阶段：预编译，编译（词法分析，语法分析，语义分析），汇编，链接，文章干货满满！学习起来吧😃！

在ANSI C的任何⼀种实现中，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（二进制指令）。
第2种是执⾏环境，它⽤于实际执⾏代码。
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翻译环境是怎么讲源代码转换为可执行的机器指令的呢？我们深入解析翻译环境是怎么一步一步的实现翻译的。

如果再把编译器展开成3个过程，那就变成了下面的过程：
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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。
在gcc环境下想观察一下，对test.c文件预处理后的.i文件，命令如下：

gcc -E test.c -o test.i
-E: 只执行预处理阶段，不进行后续编译和汇编阶段。
test.c: 指定需要预处理的源代码文件。
-o test.i:
-o: 指定输出文件。
test.i: 指定预处理后的输出文件为test.i。

功能：
将源代码文件test.c进行预处理，仅执行预处理阶段，不进行后续编译和汇编。
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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，处理规则如下：

gcc -S test.i -o test.s

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

将源代码程序被输入扫描器，扫描器的任务就是进行词法分析，讲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）。
上面程序进行词法分析后得到了16个记号：
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array[index] = (index+4)*(2+6)

gcc -c test.s -o test.o
-c 参数表示只进行编译不进行链接，生成目标文件而不是可执行文件。
-o test.o 指定输出文件名为test.o。

所以这个gcc命令就是利用gcc作为汇编器，将汇编源代码test.s翻译成目标对象文件test.o的过程。它完成了汇编阶段的主要工作—从汇编语言到机器代码的转换。
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总结：汇编就是把汇编的代码翻译成二进制的指令，生成.o文件（目标文件）

gcc test .o -o test

比如：
在一个项目中有2个.c文件（test.c和add.c），代码如下：
test.c:

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
//声明外部符号
extern int Add(int x, int y);
//声明外部的全局变量
extern int g_val;
int main()
{
	int a = 100;
	int b = 200;
	int ret = Add(a, b);
	printf("ret=%dn", ret);
	printf("g_val=%dn", g_val);
	return 0;
}

# define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

int g_val = 2023;

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

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的文件中每一次使用Add函数和g_val的时候必须确切知道Add和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。等待最后的链接的时候根据引用的符号Add在其他模块中查找Add函数的地址，然后讲test.c中所有引用到Add的指令重新修正，让他们的目标为真正的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：重定位。
图解：
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假设在汇编中Add.c文件Add函数变量的地址为0x100，test.c文件的extern Add（int x，int y）地址为0x000，main()函数地址为0x200，经过编译时test.c找到Add.c的有效地址0x100，然后test.c中的Add的地址不是真的地址，它就会被判定为无效地址，然后两个有效地址合并，最后留下Add0x100和main0x200，形成新的符号组