简单认识程序的编译过程

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前言

在ANSI C 的任何一种实现中，存在两个不同的环境：

• 第一种是编译环境，在这个环境下源代码被转换成可执行的机器指令。
• 第二种是执行环境，这个环境用于实际执行代码。

本篇文章重点了解程序在编译（翻译）环境会执行的操作。

为了可以更清楚的演示过程：这里创建了两个文件：

程序的翻译环境

程序的编译也叫做程序的翻译，主要可以分为这四个步骤：预编译、编译、汇编、链接。
前面我们得到了一份C语言源代码，它包括了两个文件:

main.c

和

sum.c

。我们的目的是需要计算出两个数的和（也就是执行出打印出两数之和的结果）。我们将可以执行结果的文件称为可执行文件。

在Windows中C语言源代码生成的可执行文件的扩展名一般是

.exe

在Linux中C语言源代码生成的可执行文件的扩展名一般是

.out

。

要得到可执行文件。我们需要先对每一份源文件预编译、编译、汇编。执行完这三个步骤后会得到两份目标文件（扩展名为:

.o

）。然后链接文件以及需要的库就能够得到对应的可执行文件。

**注意：如果有多个.c文件，那么编译器会单独处理每个源文件，生成各自的

.obj

文件，这些目标文件+链接库整体经过链接最终生成可执行程序** ：

下面是将分别介绍这几个环节：

预编译

预编译也叫做预处理。

预处理的细节利用Linux环境可以更方便的观察到。这里利用Linux环境去观察源文件

main.c

在预处理阶段执行了哪些操作。

C语言源代码和对应的头文件会被预编译成一个

.i文件

。预处理主要是进行一些文本级的操作，包括：

1. 展开头文件。预编译的时候会展开源文件中包含的所有头文件，例如：stdio.h。
2. 符号的替换：预编译的时候会将所有定义的宏和符号替换成对应的数据。
3. 删除注释。

预处理后的文件不包含任何的宏定义，因为里面所有的宏都已经被替换。同样，

.i文件

中也已经包含了全部所需要的头文件。

编译

编译依靠的是编译器

编译过程主要进行的是：

1. 词法分析词法分析会分析你的代码中的所有符号，然后产生一系列不同类型的记号：标识符、特殊符号（比如运算符号）、数字、字符串等。
2. 语法分析运算符的优先级和含义也被定下来。在这个阶段，括号不匹配，缺少操作符等问题就会被编译器发现，然后报告语法错误。
3. 语义分析编译器可以分析的语义是静态语义。包括声明和类型的匹配，类型的转换等。> 举例子：> > > 1. 当一个浮点类型的数据被赋值给整形数据时，其中隐含了一个浮点类型到整形数据的转换，语义分析的过程需要完成这个步骤。> 2. 将一个浮点值赋值给一个指针的时候，编译器会发现类型不匹配，然后报编译错误。动态语义一般是值在运行的时候出现的语义相关的问题，比如0作为除数时是一个运行时语义错误。
4. 符号汇总在词法分析的时候我们得到了很多的符号。在整个编译与链接的过程中，我们将函数名和变量名作为他们对应的符号名。而编译的时候我们需要将特殊的符号汇总：符号汇总是有一定规则的：只会汇总函数名、全局变量和静态数据。做完这几步后，编译器会将文件中的语言格式转换成汇编代码。

汇编

汇编是利用汇编器将汇编代码转化成机器可以执行的指令。每一个汇编指令几乎都对应了一条机器指令。

汇编后得到的文件就是目标文件。

windows

环境中目标文件的后缀是

.obj

、在

linux

环境目标文件是后缀是

.o

目标文件就是源代码编译后但是还没有进行链接的中间文件。

目标文件中有编译后的机器指令代码，数据。除此以外，目标文件中还有链接时需要的一些信息：符号表，调试信息，字符串等。

一般目标文件将这些信息按照不同的属性，以段segment的形式存储（一般情况下，他们都表示一个一定长度的区域）。
形成符号表

这是整个编译汇编过程中十分重要的一步。每一个文件编译完后都会有一个对应的符号表存储在目标文件中。

每一个目标文件都会有一个符号表，这个表中记录了目标文件中所用到的所有符号，每一个定义的符号有一个对应的值，叫做符号值。对于函数和变量来说这个符号值就是它们的地址。

符号表中有什么？

符号表中记录了每一个被汇总的符号，以及该符号的地址。如果这个符号是一个还没有被定义的函数名，那么这个地址就不是一个游戏地址，但是符号表中仍然有这个符号的数据。

符号表的作用在链接的时候体现。

链接

链接依靠的是链接器—为了让我们使用库函数有源头。现代的编译器可以将一个源代码编译成一个未链接的目标文件，然后由链接器将这些目标文件链接起来形成一个可执行文件。

我们的两个文件在连接前是不能够运行出结果的。因为在main函数调用sum函数的时候无法找到准确的地址。而链接的作用就可以简单理解为帮助程序去找到外部符号的地址。

怎样找到外部符号的地址呢？

链接器通过符号表的合并和符号表的重定位做到这一点。

这样在调用外部符号的时候就可以找到准确的地址了。

注意：链接的过程是很复杂的：合并符号表只是其中的一部分。需要深入了解的话建议去查阅《程序员的自我修养——链接、装载与库》。