编译预处理等细节

       敲过代码的人都知道，任何一个程序都需要经过编译和链接才能生成可执行程序，才能使代码运行起来，那么编译和链接的过程中，编译器做了哪些事，使得程序可以执行呢？

        程序的翻译环境和执行环境

国际c标准中规定，任何一种实现，都存在两个不同的环境。

1：翻译环境：将代码翻译成机器指令；

2：执行环境：用来实际执行代码；

而我们重点需要了解的是翻译环境究竟干了什么，生成了可执行的程序。

翻译环境

 

                                                     图1.编译文件

 如图1.编译文件所示，每一个源文件都会经过编译器生成对应的目标文件，然后经过链接器在链接库中查找对应的头文件，最后生成可执行文件，这里的源文件可以不止一个.c文件，可能有多个.c文件。

 实际操作上我们可以看到，文件编译运行后，会生成对应的.exe文件，如下：

 

我们可以看到，当我们没有编译运行的时候，项目文件夹中只有.c源文件，而当我们编译运行后，就能发现文件夹中多了一个Debug文件夹，里面有编译文件的.exe文件；

图2

图3

  

图4

每一个源文件在编译过程中都会经过编译器生成对应的目标文件，如图三中的test.c就生成了对应的test.obj文件，而每个目标文件（同一个项目中的）都会经过链接器捆绑在一起形成单一而完整的可执行程序，正如图4的test_8_3.exe（项目生成的可执行程序），连接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中。

当然这只是笼统的讲法，实际上编译和链接可以分为四步。

图5.编译链接具体操作

将编译与链接拆开后，实际上分为以上四个步骤，而每一个步骤都会生成不同的文件；

但是VS是集成开发环境，不好观察细节，于是我们只能在Linux上观察细节。

比如我们在Linux上写上如下代码：

 

预处理细节

当我们想观察预处理后会发生什么事，我们应该这样输入

gcc -E test.c -o test.i

这样编译器就会在经过预处理之后停下来，并且将所有生成的东西放在一个名为test.i的文件中去，当我们打test.i文件后，我们发现。test.i文件之中不仅有我们所写的代码，在原本#include<stdio.h>的位置出现了很多代码，如图6
图6 test.i

而出现的这些代码实际上就是头文件stdio.h中所有的函数。

当然，预处理并不只是只是这样，它还会将所有注释删除，并且将#define符号转换成对应的内容。就比如我#define MAX 10000；那么当我在define下面使用MAX的时候，所有MAX会被替换成10000，当我#define sum  3+2；那么下面使用sum的时候，所有sum被被替换成3+2；然后编译器会将#define那一行给删除掉（因为已经替换完成了）。

编译细节

 想看到编译细节我们应该输入gcc -S test.c

这样编译器会生成一个名为test.s的文件。

打开test.s文件我们可以发现，里面全部是汇编代码，在编译阶段，编译器会进行语法分析，词法分析，语义分析，符号汇总等操作，其中最重要的是符号汇总。

符号汇总

符号汇总会将全局变量，定义的函数（包括main函数） 进行汇总；

接下来就进行汇编阶段；

汇编细节

之后再输入gcc -c test.c

生成了test.o文件  

这个文件是二进制存储的，内部东西都是二进制的东西；

于是我们便明白了汇编会将汇编代码转换为二进制代码

如图7

 

图7

汇编中有一个操作是形成符号表；

这个其实和编译中的符号汇总是相关联的，我们test.c经过编译生成对应的test.s文件后，编译器会将对应的符号汇总，然后在汇编环节，生成一个符号表，在这个环节，编译器会给符号表中的每一个符号一个地址，用来访问，就比如这里的test.c文件经过汇编后，会给Add，g_val，main三个符号一个地址，当然，如果Add函数或者g_val变量是从外部文件声明的话，符号表会将给它们一个无效地址，之后在链接阶段使用符号表。

链接细节

 当所有源文件按照elf格式生成了对应的.o文件后，编译器会给每一个.o文件按照elf格式生成一个段表，段表每一个空位存储对应的地址，然后在链接阶段会进行段表合并，它会将相同名称的符号合并，取符号表中的有效地址放在对应的符号表中，这个符号表就是决定之后可执行程序能否使用这个函数，若是符号表中存的是无效地址，就无法使用该函数，导致链接错误。

若是在这一系列操作没有发生错误，就成功生成了一个可执行程序。