1. 引言当我们编写完一段 C 语言代码后并不能直接运行它。计算机只能执行机器指令而我们写的是人类可读的源代码因此需要经过一系列转换步骤才能生成可执行文件。这个过程通常分为两个阶段编译和链接。理解编译和链接的过程不仅能帮助我们排查编译错误还能帮助我们理解程序是如何从源代码一步步变成可执行文件的。本文将带你完整走一遍 C 语言程序从源码到可执行文件的旅程。2. 从源代码到可执行文件一个 C 语言程序从编写完成到最终运行通常经历以下四个阶段预处理Preprocessing编译Compilation汇编Assembly链接Linking其中前三个阶段通常被统称为编译而链接是独立的一步。3. 预处理阶段在预处理阶段源⽂件和头⽂件会被处理成为 .i 为后缀的⽂件。预处理阶段主要处理那些源⽂件中#开始的预编译指令。⽐如 #include , #define 处理的规则如下将所有的 #define 删除并展开所有的宏定义。处理所有的条件编译指令如 #if、#ifdef、#elif、#else、#endif 。处理#include 预编译指令将包含的头⽂件的内容插⼊到该预编译指令的位置。这个过程是递归进⾏的也就是说被包含的头⽂件也可能包含其他⽂件。删除所有的注释添加⾏号和⽂件名标识⽅便后续编译器⽣成调试信息等。保留所有的 #pragma 的编译器指令编译器后续会使⽤。经过预处理后的 .i ⽂件中不再包含宏定义因为宏已经被展开。并且包含的头⽂件都被插⼊到 .i⽂件中。所以当我们⽆法知道宏定义或者头⽂件是否包含正确的时候可以查看预处理后的 .i ⽂件来确认例如对于下面的代码#includestdio.h#defineMAX100intmain(){printf(MAX %d\n,MAX);return0;}经过预处理后stdio.h的内容会被展开MAX会被替换为100。在 GCC 中执行gcc-Emain.c-omain.i生成的文件main.i就是预处理后的结果。4. 编译编译过程就是将预处理后的⽂件进⾏⼀系列的词法分析、语法分析、语义分析及优化⽣成相应的汇编代码⽂件。在 GCC 中使用-S选项可以只进行编译生成汇编文件gcc-Smain.i-omain.s4.1 词法分析将源代码程序被输⼊扫描器扫描器的任务就是简单的进⾏词法分析把代码中的字符分割成⼀系列的记号关键字、标识符、字⾯量、特殊字符等。4.2 语法分析语法分析器对扫描产⽣的记号进⾏语法分析从⽽产⽣语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。4.3 语义分析由语义分析器来完成语义分析即对表达式的语法层⾯分析。编译器所能做的分析是语义的静态分析。静态语义分析通常包括声明和类型的匹配类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息。5. 汇编汇编器是将汇编代码转变成机器可执⾏的指令2进制的指令每⼀个汇编语句⼏乎都对应⼀条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表⼀ 的进⾏翻译也不做指令优化。在 GCC 中使用-c选项可以完成编译和汇编直接生成目标文件gcc-cmain.s-omain.o6. 链接链接是⼀个复杂的过程链接的时候需要把⼀堆⽂件链接在⼀起才⽣成可执⾏程序。链接过程主要包括地址和空间分配符号决议和重定位等这些步骤。链接解决的是⼀个项⽬中多⽂件、多模块之间互相调⽤的问题。我们已经知道每个源⽂件都是单独经过编译器处理⽣成对应的⽬标⽂件。test.c 经过编译器处理⽣成 test.oadd.c 经过编译器处理⽣成 add.o我们在 test.c 的⽂件中使⽤了 add.c ⽂件中的 Add 函数和 g_val 变量。我们在 test.c ⽂件中每⼀次使⽤ Add 函数和 g_val 的时候必须确切的知道 Add 和 g_val 的地址但是由于每个⽂件是单独编译的在编译器编译 test.c 的时候并不知道 Add 函数和 g_val变量的地址所以暂时把调⽤ Add 的指令的⽬标地址和 g_val 的地址搁置。等待最后链接的时候由链接器根据引⽤的符号 Add 在其他模块中查找 Add 函数的地址然后将 test.c 中所有引⽤到Add 的指令重新修正让他们的⽬标地址为真正的 Add 函数的地址对于全局变量 g_val 也是类似的⽅法来修正地址。这个地址修正的过程也被叫做重定位。7. 总结C 语言程序从源代码到可执行文件经历了预处理 → 编译 → 汇编 → 链接四个阶段预处理展开头文件、宏替换、条件编译。编译将 C 代码翻译为汇编语言。汇编将汇编语言翻译为机器码生成目标文件。链接将多个目标文件和库组合生成可执行文件。理解这一过程不仅能帮助你排查编译和链接错误还能让你更深入地理解程序的本质。希望本文对你有所帮助欢迎在评论区交流讨论。
1. 引言当我们编写完一段 C 语言代码后并不能直接运行它。计算机只能执行机器指令而我们写的是人类可读的源代码因此需要经过一系列转换步骤才能生成可执行文件。这个过程通常分为两个阶段编译和链接。理解编译和链接的过程不仅能帮助我们排查编译错误还能帮助我们理解程序是如何从源代码一步步变成可执行文件的。本文将带你完整走一遍 C 语言程序从源码到可执行文件的旅程。2. 从源代码到可执行文件一个 C 语言程序从编写完成到最终运行通常经历以下四个阶段预处理Preprocessing编译Compilation汇编Assembly链接Linking其中前三个阶段通常被统称为编译而链接是独立的一步。3. 预处理阶段在预处理阶段源⽂件和头⽂件会被处理成为 .i 为后缀的⽂件。预处理阶段主要处理那些源⽂件中#开始的预编译指令。⽐如 #include , #define 处理的规则如下将所有的 #define 删除并展开所有的宏定义。处理所有的条件编译指令如 #if、#ifdef、#elif、#else、#endif 。处理#include 预编译指令将包含的头⽂件的内容插⼊到该预编译指令的位置。这个过程是递归进⾏的也就是说被包含的头⽂件也可能包含其他⽂件。删除所有的注释添加⾏号和⽂件名标识⽅便后续编译器⽣成调试信息等。保留所有的 #pragma 的编译器指令编译器后续会使⽤。经过预处理后的 .i ⽂件中不再包含宏定义因为宏已经被展开。并且包含的头⽂件都被插⼊到 .i⽂件中。所以当我们⽆法知道宏定义或者头⽂件是否包含正确的时候可以查看预处理后的 .i ⽂件来确认例如对于下面的代码#includestdio.h#defineMAX100intmain(){printf(MAX %d\n,MAX);return0;}经过预处理后stdio.h的内容会被展开MAX会被替换为100。在 GCC 中执行gcc-Emain.c-omain.i生成的文件main.i就是预处理后的结果。4. 编译编译过程就是将预处理后的⽂件进⾏⼀系列的词法分析、语法分析、语义分析及优化⽣成相应的汇编代码⽂件。在 GCC 中使用-S选项可以只进行编译生成汇编文件gcc-Smain.i-omain.s4.1 词法分析将源代码程序被输⼊扫描器扫描器的任务就是简单的进⾏词法分析把代码中的字符分割成⼀系列的记号关键字、标识符、字⾯量、特殊字符等。4.2 语法分析语法分析器对扫描产⽣的记号进⾏语法分析从⽽产⽣语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。4.3 语义分析由语义分析器来完成语义分析即对表达式的语法层⾯分析。编译器所能做的分析是语义的静态分析。静态语义分析通常包括声明和类型的匹配类型的转换等。这个阶段会报告错误的语法信息。5. 汇编汇编器是将汇编代码转变成机器可执⾏的指令2进制的指令每⼀个汇编语句⼏乎都对应⼀条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令的对照表⼀ 的进⾏翻译也不做指令优化。在 GCC 中使用-c选项可以完成编译和汇编直接生成目标文件gcc-cmain.s-omain.o6. 链接链接是⼀个复杂的过程链接的时候需要把⼀堆⽂件链接在⼀起才⽣成可执⾏程序。链接过程主要包括地址和空间分配符号决议和重定位等这些步骤。链接解决的是⼀个项⽬中多⽂件、多模块之间互相调⽤的问题。我们已经知道每个源⽂件都是单独经过编译器处理⽣成对应的⽬标⽂件。test.c 经过编译器处理⽣成 test.oadd.c 经过编译器处理⽣成 add.o我们在 test.c 的⽂件中使⽤了 add.c ⽂件中的 Add 函数和 g_val 变量。我们在 test.c ⽂件中每⼀次使⽤ Add 函数和 g_val 的时候必须确切的知道 Add 和 g_val 的地址但是由于每个⽂件是单独编译的在编译器编译 test.c 的时候并不知道 Add 函数和 g_val变量的地址所以暂时把调⽤ Add 的指令的⽬标地址和 g_val 的地址搁置。等待最后链接的时候由链接器根据引⽤的符号 Add 在其他模块中查找 Add 函数的地址然后将 test.c 中所有引⽤到Add 的指令重新修正让他们的⽬标地址为真正的 Add 函数的地址对于全局变量 g_val 也是类似的⽅法来修正地址。这个地址修正的过程也被叫做重定位。7. 总结C 语言程序从源代码到可执行文件经历了预处理 → 编译 → 汇编 → 链接四个阶段预处理展开头文件、宏替换、条件编译。编译将 C 代码翻译为汇编语言。汇编将汇编语言翻译为机器码生成目标文件。链接将多个目标文件和库组合生成可执行文件。理解这一过程不仅能帮助你排查编译和链接错误还能让你更深入地理解程序的本质。希望本文对你有所帮助欢迎在评论区交流讨论。
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