程序的翻译和执行，从编辑、预处理、编译、汇编、链接到执行

1、程序的翻译环境和执行环境

在C语言中的任何一种实现中，都存在着两种环境。

1. 翻译环境，在这个环境下源代码被转换为可执行的机器指令。
2. 运行环境，实际执行代码。

2、编译和链接

2.1、一个被隐藏的过程

以下是我们熟知的一个程序。

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

我们在编译器中通过编译运行能很轻松的在我们屏幕上打印成功，
但事实上，在编译这个阶段其实还包括了 预处理、编译、汇编、链接。
如图：

从大概来看

• 程序的源文件通过编译过程转换为目标代码，生成目标文件（.obj（win环境下）或.o（linux环境））。
• 如果有多个源文件，链接中的链接器会将它们捆绑在一起，最终形成一个可执行文件。
• 链接将多个源文件和链接库一起，最终生成一个可执行文件。链接库为我们提供其它需要引入的库函数。

2.2、编译过程的细节

2.2.1、预处理

  在预处理过程主要处理那些源代码文件中的以#开头的预编译指令，如#include、#define
规则如下.

• 将所有的 " #define "删除，并且展开所有的宏定义（全部替换）。
• 处理条件预编译指令，如 #if、#ifdef、#elif、#else、#endif。
• 处理" #include "预编译指令，将被包括的文件插入该预编译指令的位置。注意这个过程是递归进行的，也就是一个文件里可能会包含另一个文件。
• 删除所有的注释。
• 保留所有的#pragma 编译器指令，因为编译器需要使用到它们。

经过预处理后的.i文件不再包含任何宏定义。

 

2.2.2、编译

在编译的过程中，会经历4个过程，词法分析、语法分析、语义分析、符号汇总，将源代码转换成汇编代码之后存放在.s文件中。

每个过程中：

• 词法分析： 通过一个叫lex的程序将源代码的字符序列分割成一系列的记号，这个记号有标识符、关键字、字面量（如数字、字符串）。
• 语法分析： 通过语法分析器将记号进行语法分析，形成语法树，完成对一些表达式的语法分析。
• 语义分析： 通过语义分析器来对语法是否有意义进行分析（比如指针相乘是没有意义的，但在语法分析中是合法的，所以语义分析的是有无意义）。
• 符号汇总： 会将源代码中的全局变量以及函数汇总出来，形成一个表，方便在后续链接中使用。
  比如对Test.c源文件，将Test.c里面的Add和main汇总。
  

对add.c，将add.c里的Add汇总。

2.2.3、汇编

汇编将汇编代码转换成二进制指令，生成目标文件（.obj（win环境下）或.o（linux环境））。

值得注意的是这个过程会形成符号表，在之前编译过程中，我们对全局变量以及函数进行了汇总，在这里我们通过给汇总里的成员添加一个地址，就形成了一个符号表。

符号表在后续中的链接会使用。

2.2.4、链接

在链接过程中有两个动作，一个是合并段表，还个是符号表的合并和重定位。

1.合并段表
在汇编后形成的.o文件，它里面的数据在linux环境下是由 elf 这种格式进行存放的，这种 elf 格式会将文件分成很多个段，每个段存放着不同的数据。

如果是多个.o文件（目标文件），前面说了会和链接库进行链接最终形成可执行文件（.exe），而可执行文件也是 elf 这种格式，所以之前的多个.o文件中被 elf 格式分割的相同的段就需要合并。

2.符号表的合并和重定位
这个操作中，合并了汇编中的符号表的地址，以及重定位了个别成员的地址。
比如：

这将确保了在程序运行，我们使用的函数有效，但如果不存在 Add 函数，那么合并的将会是一个无效的地址，在程序执行后就会发生链接型错误。
比如：

3、执行

程序执行的过程：

1. 程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中：一般这个由操作系统完成。在独立的环境中，程序
   的载入必须由手工安排，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。
2. 程序的执行便开始。接着便调用main函数。
3. 开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈（stack）（这里可参考函数栈帧的创建和销毁），存储函数的局部变量和返回地址。程序同时也可以使用静态（static）内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程一直保留他们的值。
4. 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

本章完。