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C語言?程序的編譯系統(tǒng)解析

更新時間：2022年02月28日 16:54:58 作者：呆呆獸學(xué)編程

編譯程序的基本功能是把源程序（高級語言）翻譯成目標(biāo)程序。但是,作為一個具有實(shí)際應(yīng)用價值的編譯系統(tǒng),除了基本功能之外，還應(yīng)具備語法檢查、調(diào)試措施、修改手段、覆蓋處理、目標(biāo)程序優(yōu)化、不同語言合用以及人-機(jī)聯(lián)系等重要功能

程序的翻譯環(huán)境和執(zhí)行環(huán)境

在ANSI C的任何一種實(shí)現(xiàn)中，存在兩個不同的環(huán)境：

第1種是翻譯環(huán)境,在這個環(huán)境中源代碼被轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的機(jī)器指令。

第2種是執(zhí)行環(huán)境 ,它用于實(shí)際執(zhí)行代碼。

一個.c的文件事如何變成.exe的可執(zhí)行文件的呢？下面這張圖片是一個大概的過程：

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編譯和鏈接

翻譯環(huán)境

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組成一個程序的每個源文件通過編譯過程分別轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼( object code )。
每個目標(biāo)文件由鏈接器( linker )捆綁在一起,形成一個單一-而完整的可執(zhí)行程序。
鏈接器同時也會引入標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫中任何被該程序所用到的函數(shù),而且它可以搜索程序員個人的程序庫，將其需要的函數(shù)也鏈接到程序中。

編譯的幾個階段

接下來，我來用Linux平臺來給大家演示一下編譯的三個過程：

我們先編寫一個簡單C程序：

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然后執(zhí)行這樣一句指令：

gcc test.c

這句指令是讓gcc這個編譯器來編譯我們的代碼，執(zhí)行完這句指令我們會發(fā)現(xiàn)會生成一個a.out這樣一個可執(zhí)行文件，

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我們執(zhí)行再下面這樣一句指令：

./a.out

這樣我們就可以執(zhí)行這個可執(zhí)行文件了，

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為了讓大家更好地感受到編譯的過程，我們來一步一步看：

預(yù)處理

我們執(zhí)行再下面這樣一句指令，讓代碼預(yù)處理完之后就停下來：

gcc -E test.c -o test.i

這句指令的意思就是把預(yù)處理完之后的信息輸出到一個test.i的文件中。

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可以發(fā)現(xiàn)的是，這里多了一個test,i的文件，我們可以打開看一看：

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-pGZW3x4b-1637932306122)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126200920738.jpg)]$

可以發(fā)現(xiàn)的是，有三個點(diǎn)發(fā)生了變化：

頭文件被展開
宏被文本替換了
注釋被刪除了

我們對原代碼做一個處理，不包含stdio.h的頭文件，我們自己寫一個頭文件：

再來看一下，預(yù)處理后的文件是什么樣子的：

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-jICkxv4k-1637932306124)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126201809726.jpg)]$

效果通上面一樣。

所以預(yù)處理的幾個動作

頭文件的包含
預(yù)處理指令的完成（eg:#define、#pragma…）
注釋的刪除

編譯

執(zhí)行再下面這樣一句指令讓文件進(jìn)行編譯形成匯編代碼：

gcc -S test.c

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-nYnbbB65-1637932306125)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126202540289.jpg)]$

執(zhí)行完之后就可以生產(chǎn)出一個test.s的文件，我們可以打開看一看：

這里其實(shí)就是匯編代碼。

所以編譯的幾個動作

語法分析
詞法分析
語義分析
符號匯總

符號匯總: 符號匯總的都是全局的符號。例如上面我們的代碼頭文件就匯總了一個Add，.c文件就匯總的一個Add和main。

匯編

接下來我們執(zhí)行這樣一條指令：

gcc -c test.c

對源文件進(jìn)行匯編，結(jié)果生成了一個test.o的目標(biāo)文件：

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-Segd6oKn-1637932306126)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126203431140.jpg)]$

打開這個文件，我們會發(fā)現(xiàn)這是一個我們看不懂的二進(jìn)制文件：

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-YjEQb15l-1637932306127)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126203517294.jpg)]$

所以其實(shí)匯編是把匯編代碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼（機(jī)器指令）。

這個過程還做了一件件事——形成符號表

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-O6xmUQVU-1637932306127)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126204552806.jpg)]$

鏈接

鏈接做的兩個事情

合并段表
符號表的合并和符號表的重定位

在Linux系統(tǒng)下，test.o二進(jìn)制文件是用一個elf這樣的格式來組織文件的。

elf會把文件組織成一個段。test.o和Add.o都有一個段，那么我們怎樣才能看懂elf格式的文件呢？

我們有這樣一個工具叫做readelf，他可以看懂這樣一個文件，所以我們輸入這樣一條指令：

readelf test.o -a

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-kDmpTiYe-1637932306128)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126205639154.jpg)]$

我們就確實(shí)可以看到這樣一個段的存在。

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-xQnwleYa-1637932306128)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126210149263.jpg)]$

然后這下面還有符號表的匯總：

$[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ufzQtz4Y-1637932306129)(C:\Users\久別重逢還不錯\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20211126210550360.jpg)]$

其實(shí)a.out這個文件也是elf格式的，所以其實(shí)鏈接就是把這幾個elf格式的文件的段表合并，然后test中的Add函數(shù)就有了地址。

運(yùn)行環(huán)境

程序執(zhí)行的過程：

程序必須載入內(nèi)存中。在有操作系統(tǒng)的環(huán)境中：一般這個由操作系統(tǒng)完成。在獨(dú)立的環(huán)境中，程序的載入必須由手工安排，也可能是通過可執(zhí)行代碼置入只讀內(nèi)存來完成。
程序的執(zhí)行便開始。接著便調(diào)用main函數(shù)。
開始執(zhí)行程序代碼。這個時候程序?qū)⑹褂靡粋€運(yùn)行時堆棧（stack），存儲函數(shù)的局部變量和返回地址。程序同時也可以使用靜態(tài)（static）內(nèi)存，存儲于靜態(tài)內(nèi)存中的變量在程序的整個執(zhí)行過程一直保留他們的值。
終止程序。正常終止main函數(shù)；也有可能是意外終止。