計(jì)算機(jī)的世界，就從hello，world開(kāi)始吧！

#include <stdio.h>
int main()
{
	printf("Hello World\n");
  return 0;
}

“Hello World”，對(duì)于好兄弟們來(lái)說(shuō)，都很熟悉吧，大學(xué)第一課、編程語(yǔ)言書(shū)本的第一個(gè)dmeo，基本都是用這個(gè)作為引子，這次我們也從hello，world開(kāi)始進(jìn)入計(jì)算機(jī)的世界遨游吧！

剛開(kāi)始學(xué)這些東西的時(shí)候，比如用VC++, 都是鼠標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)，直接出來(lái)黑窗口，可以看到我們的執(zhí)行結(jié)果，卻不知，這一系列的背后，隱匿了很多我們不知道的細(xì)節(jié)，而這些東西都讓VC++這類的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境幫我們做了(當(dāng)很多東西被封裝成簡(jiǎn)單的API給我們使用的時(shí)候，也同時(shí)證明了我們的可替代性變得越來(lái)越高，那怎么辦？好好讀這篇文章:))，有的工作了好幾年的，也不見(jiàn)得知道Hello，World的執(zhí)行過(guò)程，這次我們把它搞懂。

先來(lái)看一下整個(gè)C程序從寫(xiě)完代碼，到執(zhí)行所經(jīng)歷的步驟：

當(dāng)我們?cè)趌inux上輸入如下指令的時(shí)候，VC++或者別的C的開(kāi)發(fā)環(huán)境，就會(huì)在背后幫我們進(jìn)行上面的動(dòng)作。

$gcc  hello.c
$./a.out

預(yù)編譯

通過(guò)預(yù)編譯器，生成".i"文件

這個(gè)過(guò)程主要是處理源代碼文件中以“#”開(kāi)始的預(yù)編譯指令，比如："#include",“define”

對(duì)于我們的hello程序來(lái)說(shuō)，會(huì)處理#include指令，將被包含的stdio.h文件插入到第一行我們的#include指令的位置上，但是我們的stdio.h可能還包含的別的#include，所以這個(gè)過(guò)程是遞歸進(jìn)行的

如果我們有宏定義，比如#define，會(huì)展開(kāi)所有的宏定義，比如：#define PI 3.14, 在預(yù)編譯步驟中，會(huì)將#define刪除，然后將所有PI替換成3.14

如果我們?cè)诖a中存在注釋的時(shí)候，還會(huì)將注釋進(jìn)行刪除，可見(jiàn)注釋并不會(huì)對(duì)我們的代碼產(chǎn)生什么影響

如何查看預(yù)編譯后的文件呢？

$gcc -E hello.c -o hello.i

• -E：表示只進(jìn)行預(yù)編譯
• -o：指定要生成的結(jié)果文件，后面就是結(jié)果文件的名字

經(jīng)過(guò)預(yù)編譯之后的.i文件中不會(huì)包含任何宏定義，也就是#define，因?yàn)橐呀?jīng)被替換，所以當(dāng)無(wú)法判斷宏定義是否正確或者頭文件是否包含正確時(shí)，可以查看預(yù)編譯后的文件來(lái)確定問(wèn)題

#define PI 3.14
int main()
{
	double d = PI;
  return 0;
}
--------預(yù)編譯之后---------
int main()
{
  double d = 3.14;
  return 0;
}

編譯

編譯的過(guò)程是把預(yù)處理文件進(jìn)行：詞法分析->語(yǔ)法分析->語(yǔ)義分析->源代碼生成->目標(biāo)代碼的生成和優(yōu)化

整個(gè)過(guò)程如下：

其結(jié)果是產(chǎn)生.s的匯編文件

上面的過(guò)程相當(dāng)于執(zhí)行了：

$gcc -S hello.i -o hello.s

也可以用命令ccl來(lái)完成，路徑是/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1，這個(gè)命令是將預(yù)編譯和編譯封裝了起來(lái)

$/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/7/cc1 hello.c

其實(shí)gcc 的-S命令就是調(diào)用的cc1這個(gè)命令，所以gcc這個(gè)命令就是這些程序的包裝，這些成比如：cc1，ld，as這些其實(shí)都是程序，gcc會(huì)根據(jù)不同的參數(shù)去調(diào)用不同的程序，相當(dāng)于在外面加了一層

來(lái)看下編譯的詳細(xì)過(guò)程：

詞法分析

這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生token，聽(tīng)著token感覺(jué)好高大上，其實(shí)也就那么回事，通俗點(diǎn)來(lái)說(shuō)，給程序中的所有的符號(hào)進(jìn)行分類，而這個(gè)分類都有什么呢？比如：標(biāo)識(shí)符、左括號(hào)、右括號(hào)、加號(hào)、乘號(hào)、數(shù)字、賦值、左右方括號(hào)

arr[i] = (i + 1) * (2 + 3)

對(duì)上面語(yǔ)句進(jìn)行分類就是：arr、i是標(biāo)識(shí)符，1、2、3都屬于數(shù)字，有加號(hào)、還有乘號(hào)、還有左右括號(hào)、左右方括號(hào)和賦值，就是這么簡(jiǎn)單的分類，這里面的每個(gè)符號(hào)，都表示一個(gè)token。

語(yǔ)法分析

語(yǔ)法分析的結(jié)果是生成語(yǔ)法樹(shù)，一聽(tīng)很懵逼是吧，聽(tīng)我給你慢慢道來(lái)，先來(lái)一句總結(jié)的話，語(yǔ)法樹(shù)怎么生成的？可以這么理解：就是以運(yùn)算符為根節(jié)點(diǎn)，操作數(shù)為孩子節(jié)點(diǎn)，將語(yǔ)句根據(jù)運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)從右到左，將樹(shù)從下到上構(gòu)造成的。沒(méi)聽(tīng)懂嗎？ 上圖

• 按照運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)，應(yīng)該先計(jì)算()和[]中內(nèi)容，按照我們的運(yùn)算符為根節(jié)點(diǎn)的說(shuō)法，所以以i和1為孩子節(jié)點(diǎn)，以+為根節(jié)點(diǎn)，以2和3為孩子節(jié)點(diǎn)，以+為根節(jié)點(diǎn)，[]為根節(jié)點(diǎn)，arr和i為孩子節(jié)點(diǎn)
• 然后以*為根節(jié)點(diǎn)，上述生成的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)整體作為*的根節(jié)點(diǎn)，賦值左邊的[]也是以相同的邏輯形成生成一個(gè)子樹(shù)
• 最后以=作為根節(jié)點(diǎn)，將上面步驟生成的兩個(gè)根節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)整體，形成一個(gè)語(yǔ)法樹(shù)

總結(jié)：

• 語(yǔ)法樹(shù)是以表達(dá)式為節(jié)點(diǎn)的樹(shù)，C中一個(gè)語(yǔ)句就是一個(gè)表達(dá)式，而一個(gè)復(fù)雜的語(yǔ)句又是很多表達(dá)式的組合，比如我們的語(yǔ)句中有：賦值表達(dá)式、加法表達(dá)式、乘法表達(dá)式、數(shù)組表達(dá)式。
• 在上述的圖中，葉子節(jié)點(diǎn)都以黃色標(biāo)識(shí)出來(lái)，可以看到符號(hào)和數(shù)字是最小的表達(dá)式
• 同時(shí)在語(yǔ)法分析的同時(shí)，運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)也被確定了下來(lái)，()和[]一樣高，()比*優(yōu)先級(jí)高，*比+號(hào)優(yōu)先級(jí)高
• 在語(yǔ)法分析過(guò)程中，如果出現(xiàn)了表達(dá)式不合法，比如括號(hào)不匹配等，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)誤

語(yǔ)義分析

那么語(yǔ)義分析階段主要做什么事情呢？

語(yǔ)法分析，只是完成了表達(dá)式語(yǔ)法層面的分析，并不知道這個(gè)語(yǔ)句的真正意義，比如說(shuō)兩個(gè)指針做乘法運(yùn)算，語(yǔ)法分析是分析不出來(lái)的。

語(yǔ)義分析包括：靜態(tài)語(yǔ)義和動(dòng)態(tài)語(yǔ)義，靜態(tài)語(yǔ)義就是在編譯期間可以確定的語(yǔ)義，比如將浮點(diǎn)數(shù)賦值給整型的類型轉(zhuǎn)換，動(dòng)態(tài)語(yǔ)義就是運(yùn)行時(shí)才能確定的語(yǔ)義，比如0作為除數(shù)。

來(lái)個(gè)case：如果將一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)賦值給一個(gè)指針，語(yǔ)義分析階段就會(huì)出錯(cuò)。

語(yǔ)義分析的結(jié)果就是：整個(gè) 語(yǔ)法樹(shù)的表達(dá)式，都被標(biāo)識(shí)了類型

中間語(yǔ)言生成

編譯器在源代碼級(jí)別會(huì)有一個(gè)優(yōu)化的過(guò)程，比如我們上述的表達(dá)式2 + 3就可以被優(yōu)化成5：

直接在語(yǔ)法樹(shù)上做優(yōu)化比較困難，所以源碼優(yōu)化器將整個(gè)語(yǔ)法樹(shù)轉(zhuǎn)化成中間代碼，它是語(yǔ)法樹(shù)的順序表示，此時(shí)的中間代碼和目標(biāo)機(jī)器和運(yùn)行時(shí)環(huán)境還是無(wú)關(guān)的，中間代碼使編譯器可以分為前端和后端

目標(biāo)代碼生成和優(yōu)化

代碼生成器將中間代碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器碼：這個(gè)過(guò)程依賴于目標(biāo)機(jī)器，不同的機(jī)器有不同的字長(zhǎng)、寄存器等，此時(shí)生成的就是匯編代碼了

movl i, $ecx
addl $4, %ecx
....

目標(biāo)代碼優(yōu)化器對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行優(yōu)化，比如選擇一個(gè)合適的尋址方式等

匯編

匯編是將匯編代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以執(zhí)行的指令，每一個(gè)匯編語(yǔ)句幾乎都對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令，所以這個(gè)過(guò)程，根據(jù)匯編指令和機(jī)器指令的對(duì)照表，一一分析就可以了。

上面的過(guò)程相當(dāng)于執(zhí)行了

$gcc -c hello.c -o hello.o

或者

$gcc -c hello.s -o hello.o

或者

$as hello.s -o hello.o

又一次驗(yàn)證了上面的結(jié)論，gcc命令對(duì)as程序的封裝

匯編的結(jié)果生成的.o文件叫做目標(biāo)文件

鏈接

到目前位置，完成了編譯的整個(gè)過(guò)程，到現(xiàn)在位置，還沒(méi)有為程序中的變量分配地址，那么什么時(shí)候分配地址呢？假設(shè)已經(jīng)分配了地址，那么我們有可能在引用了別的文件中的變量或者函數(shù)，那么此時(shí)怎么為他們分配地址呢？所以肯定不是在之前分配地址的。

這個(gè)過(guò)程在鏈接階段才能確定，定義在其他文件的全局變量和函數(shù)在最終運(yùn)行時(shí)的絕對(duì)地址都要在最終鏈接時(shí)才能確定，所以編譯器將一個(gè)源碼文件編譯成一個(gè)未鏈接的目標(biāo)文件，然后由鏈接器最終將這些目標(biāo)文件鏈接起來(lái)形成可執(zhí)行文件。

鏈接的主要內(nèi)容就是把各個(gè)模塊之間相互引用的部分處理好，使各個(gè)模塊之間能夠正確鏈接，這里所有的模塊之間的相互引用是指全局變量的相互引用和函數(shù)的相互調(diào)用，其實(shí)鏈接的工作就是把一些指令對(duì)其他符號(hào)的地址的引用加以修正

鏈接過(guò)程主要包括：

• 地址和空間分配
• 符號(hào)決議(靜態(tài)鏈接)
• 重定位

什么是靜態(tài)鏈接呢？

源代碼文件經(jīng)過(guò)編譯器后生成目標(biāo)文件，目標(biāo)文件和庫(kù)一起鏈接成可執(zhí)行文件，這里的庫(kù)是運(yùn)行時(shí)庫(kù)，庫(kù)是一組目標(biāo)文件的包，就是一些常用的代碼編譯成目標(biāo)文件后打包存放

比如有兩個(gè)文件A.c 和B.c A中使用了B的函數(shù)foo()和變量var， 由于每個(gè)模塊都是單獨(dú)編譯的，所以在編譯階段并不知道函數(shù)foo和變量var的地址，所以就將他們地址暫時(shí)設(shè)置成0，等待鏈接器將目標(biāo)文件A和B鏈接起來(lái)的時(shí)候再修改正，這個(gè)修正的過(guò)程叫做重定位，整個(gè)過(guò)程就是靜態(tài)鏈接的基本過(guò)程。

以上所述是小編給大家介紹的c語(yǔ)言執(zhí)行Hello World背后經(jīng)歷的步驟，希望對(duì)大家有所幫助。在此也非常感謝大家對(duì)腳本之家網(wǎng)站的支持！

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