程序的編譯和鏈接

程序的兩種環(huán)境

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

第1種是翻譯環(huán)境，在這個(gè)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

翻譯環(huán)境

平時(shí)我們寫的程序都是一個(gè)個(gè)的源文件，那么這些文件是怎么生成.exe可執(zhí)行文件的呢？這就是接下來(lái)我們要詳細(xì)研究的內(nèi)容

籠統(tǒng)的來(lái)講，大致過程可以用下圖來(lái)表示：

組成一個(gè)程序的每個(gè)源文件通過編譯過程分別轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼（object code）。

每個(gè)目標(biāo)文件由鏈接器（linker）捆綁在一起，形成一個(gè)單一而完整的可執(zhí)行程序。

鏈接器同時(shí)也會(huì)引入標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)庫(kù)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(gè)人的程序庫(kù)，將其需要的函數(shù)也鏈接到程序中。

詳解編譯和鏈接

編譯，其實(shí)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)該叫做翻譯，因?yàn)?mark>翻譯其實(shí)還分多個(gè)步驟，分別為預(yù)處理，編譯，匯編。在VS中每一步驟是觀察不到的，所以我們使用GCC編譯器來(lái)觀察現(xiàn)象，研究清楚每個(gè)步驟都是做什么的。

預(yù)處理

可以看到我這里有一個(gè)test.c文件，里面寫了這樣一段代碼，這時(shí)候我們來(lái)看一下對(duì)它進(jìn)行編譯的第1步預(yù)處理，究竟做了些什么事情，我們用GCC來(lái)執(zhí)行下面的指令：

gcc test.c -E > test.i

這句指令意思就是將編譯test.c到預(yù)處理那步就停下來(lái)，并將所編譯的信息重定向到test.i中，然后我們打開test.i看一下，

實(shí)際上已經(jīng)不存在什么定義的宏了，而是直接被替換，另外還值得注意的是原本只有十幾行的代碼，經(jīng)過預(yù)處理之后變成了850行，可以看到預(yù)處理做的事情其實(shí)還是蠻多的，但是重點(diǎn)我們就是來(lái)觀察一下現(xiàn)象，知道預(yù)處理這步到底做了些什么就可以了，所謂預(yù)處理就是對(duì)一些文本進(jìn)行操作,

總結(jié)如下：

1.#include 頭文件的包含，

2.#define 宏替換

3.刪除注釋

都是一些對(duì)文本的操作

編譯

有了第一步的經(jīng)驗(yàn)，我們可以來(lái)看一下編譯的步驟，指令如下：

gcc test.i -S > test.s

可以發(fā)現(xiàn)，我們的代碼變成了匯編語(yǔ)言，這就是一個(gè)重要的步驟，其實(shí)翻譯成匯編語(yǔ)言之外，還有語(yǔ)義分析，語(yǔ)法分析等等，你的一些語(yǔ)法錯(cuò)誤等等就是這一步檢查出來(lái)的，另外還有一個(gè)很重要的步驟是進(jìn)行符號(hào)匯總，為什么說(shuō)它重要呢，其實(shí)是為下一步生成符號(hào)表做準(zhǔn)備。下一步再說(shuō)，總結(jié)編譯步驟：

編譯：

1.語(yǔ)法分析

2.語(yǔ)義分析

3.符號(hào)匯總

4.翻譯成匯編語(yǔ)言

等等

匯編

同樣的操作：

gcc test.s -c > test.o

好的，這下徹底看不懂了，實(shí)際上這是因?yàn)?#xff0c;編譯之后的目標(biāo)文件其實(shí)是二進(jìn)制文件，是無(wú)法識(shí)別的，但是這種類型的文件有它自己的格式叫做elf，有個(gè)工具readelf是可以看這種類型的文件的具體內(nèi)容的，這種文件內(nèi)容實(shí)際上也是有特點(diǎn)，都是一段一段的，每一段放不同的信息。我們先說(shuō)匯編這步做了一些什么事情，

匯編：

1.翻譯成二進(jìn)制

2.生成符號(hào)表

我們用readelf這個(gè)工具要看關(guān)注的也就是這個(gè)符號(hào)表，來(lái)了解一下：

可以看到是有一堆選項(xiàng)，我們要用的就是-s，這個(gè)選項(xiàng)來(lái)看這個(gè)符號(hào)表

這個(gè)就是我們匯編這步生成的符號(hào)表，這個(gè)符號(hào)表存儲(chǔ)了文件中符號(hào)的信息，之前我們的示意圖中已經(jīng)說(shuō)了，我們的源文件是有多個(gè)的，每個(gè)文件里面的函數(shù)變量當(dāng)然也是多個(gè)的，那最后我們鏈接起來(lái)怎么找到這些符號(hào)呢？靠的就是這個(gè)符號(hào)表，它會(huì)記錄下每個(gè)符號(hào)的信息，函數(shù)，變量，它們的地址等等，在后面的鏈接這步中按照這個(gè)符號(hào)表來(lái)尋找。

鏈接

我相信很多人可能早就聽過，鏈接就是將本地多個(gè)源文件組合起來(lái)，并且引入一些外部的庫(kù)等等，但是對(duì)它到底這個(gè)步驟是怎么實(shí)現(xiàn)的并不清楚，

今天就來(lái)研究清楚，先說(shuō)鏈接這個(gè)步驟到底做了什么，

鏈接：

1.合并段表

2.符號(hào)表的合并和重定位

段表這個(gè)今天先暫時(shí)不討論，到后期才能徹底理解，

段表概念：在分段式存儲(chǔ)管理系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程或程序都有一個(gè)或多個(gè)邏輯段，為使程序或稱進(jìn)程能正常運(yùn)行，亦即，能從物理內(nèi)存中找出每個(gè)邏輯段所對(duì)應(yīng)的位置，在系統(tǒng)中為每個(gè)進(jìn)程建立一張段映射表，簡(jiǎn)稱段表，段表記錄了進(jìn)程中每一個(gè)段在內(nèi)存中的起始地址(又稱為 “基址” )、段號(hào)和段的長(zhǎng)度。

重點(diǎn)還是上面的符號(hào)表，符號(hào)表合并和重定位是什么意思呢？

舉個(gè)例子：

像是這個(gè)例子就能簡(jiǎn)單的描述一下，符號(hào)表的問題，我們知道每個(gè)文件最后都會(huì)生成一個(gè)目標(biāo)文件，所以每個(gè)源文件的目標(biāo)文件中都有一張符號(hào)表，我們就需要信息合并，當(dāng)test.c文件中安裝符號(hào)表去找Add函數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)找不到(其實(shí)這時(shí)候Add的地址是個(gè)無(wú)效地址)，所以就會(huì)報(bào)出了錯(cuò)誤，LNK的錯(cuò)誤一定是鏈接時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤，無(wú)法解析的外部符號(hào)就是根據(jù)符號(hào)表中的信息去找Add這個(gè)符號(hào)找不到。

如果add.c中將函數(shù)名改成正確的Add，在鏈接時(shí)符號(hào)表合并，就會(huì)將add.c中Add函數(shù)的地址重定向到合并之后的符號(hào)表中，這樣才能夠順序執(zhí)行。

如果當(dāng)我們把test.c中的聲明去掉，代碼也是可以很好的跑起來(lái)的，編譯器僅僅是報(bào)個(gè)警告，為什么呢？我想應(yīng)該就很容易理解了，即使你沒有聲明，但是在最后符號(hào)表合并的時(shí)候依舊是很好的進(jìn)行了合并。所以最后的結(jié)果是沒有一點(diǎn)問題的。

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(gè)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(lái)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(gè)時(shí)候程序?qū)⑹褂靡粋€(gè)運(yùn)行時(shí)堆棧（stack），存儲(chǔ)函數(shù)的局部變量和返回地址。程序同時(shí)也可以使用靜態(tài)（static）內(nèi)存，存儲(chǔ)于靜態(tài)內(nèi)存中的變量在程序的整個(gè)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。