【C语言】程序运行过程：预处理/编译/汇编/链接

哈喽啊，盆友们。一起来看看C语言中编译预处理的内容吧！😜

1.程序编译的几个阶段

众所不周知，C语言的程序运行分为几个阶段。

咱们可以看看下面这个图，简单了解一二👇

细分开来，编译还分为3个小阶段：预编译（预处理）、编译、汇编

这三个阶段又分别做了什么事情呢？这就需要我们用linux下的gcc编译器来验证了

1.1 预编译

现在我们编写了一个这样的代码，分为两个文件

// Add.c
int Add(int x,int y)
{
	return x+y;
}

// test.c
#include <stdio.h>

extern int Add(int x,int y);
#define M 100
// 这是一个测试
int main()
{
	int a=4;
	int b=10;

	printf("a+b=%d\n",Add(a,b));
	printf("M+b=%d\n",Add(M,b));
	return 0;
}

在运行窗口中输入以下指令，进行预编译操作，得到test.i文件

1	gcc -E test.c -o test.i

打开该文件，滑倒最底部，查看它与源代码的不同

截取文件部分内容如下

## 3 "test.c" 2

## 4 "test.c"
extern int Add(int x,int y);

int main()
{
 int a=4;
 int b=10;

 printf("a+b=%d\n",Add(a,b));
 printf("M+b=%d\n",Add(100,b));
 return 0;
}

可以发现以下几点：

头文件include消失：实际上被展开了；
注释被删除
define定义的符号被替换；

这就是预编译阶段做的3件事，实际上都是一些文本操作，并没有运行该代码。

1.2 编译

输入以下指令，生成test.s文件

1	gcc -S test.i -o test.s

打开该文件，发现我们好像看不太懂它里面写了些什么

实际上，mov、sub都是汇编语言，这一步就是把C语言代码转变成了汇编代码。进行了以下几步操作：

语法分析
词法分析
语义分析
符号汇总

这一部分内容可以阅读《程序员的自我修养》这本书，记录一下

1.3 汇编

汇编操作将汇编语句生成最终的二进制指令。

1	gcc -c test.s -o test.o

这个指令会生成一个test.o目标文件

Linux：目标文件后缀为.o；
Windows：目标文件后缀为.obj；

.o目标文件和可执行成句的文件格式elf，readelf工具可以解析elf格式的文件。

用文本编辑器打开这个文件，可以看到里面的东西都是乱码

实际上这个文件里面存放的是二进制内容。汇编操作就是将汇编代码转换成二进制指令；

其中有非常重要的一部：形成符号表。

1.4 符号表和链接

这个代码中其实包含了两个源文件：test.c、Add.c

里面出现了两个符号，main和Add；

编译器会先对每个源文件创立一个符号表，为它们添加一个类似地址的参数。在链接阶段的时候，相同符号的地址参数会被设置为一样的。

这里编译会查看Add函数的定义在哪里：如main函数中只是extern，并没有Add的具体实现，最后链接之时，Add符号的地址会被设置为Add.c中该符号的地址。

这个操作又叫：符号表的合并和重定位。链接阶段还会执行另外一个操作：合并段表。

使用如下命令，将两个.o文件链接成最终的可执行文件test。

1	gcc test.o add.o -o test

使用./TEST操作执行该文件，可以看到程序成功输出了Add后的答案

1.5 总结

预编译操作，将头文件展开，删除注释，并执行define的替换和ifdef等预处理语句的操作。

1	gcc -E test.c -o test.i

编译操作，进行扫描（词法分析）、语法分析、语义分析、源代码优化、代码生成、目标代码优化，将预处理后的代码转成汇编指令。

1	gcc -S test.i -o test.s

汇编阶段，将汇编语句转成二进制指令，保存成.o目标文件。

1	gcc -c test.s -o test.o

链接阶段，链接器将目标文件和库文件（如标准库或者自定义库）合并成一个可执行文件。这个过程包括符号解析、符号重定位等操作。

1	gcc test.o add.o -o test

1.6 什么每个c文件都有对应的o文件？

这里涉及到了一个问题：为什么每个.c文件都会有一个对应的.o文件，而不是合并成一个？

网上没有搜到相关的答案，问了下GPT，因为这里是gcc采用的分步编译策略，这样的好处是当修改了某个模块的时候，可以只重新编译该模块的文件，而不需要处理其他未修改的文件，可以提高编译速度。同时也方便了c/c++的模块化开发。

2.运行环境

程序执行的过程中：

程序先载入内存。在操作系统中，这个操作由系统完成；在独立环境中，程序的载入必须手动完成，也可以是通过可执行代码置入只读内存来完成
程序执行开始。调用main函数
开始执行代码。这时将使用一个运行时堆栈（stack），存储函数的局部变量和返回地址。程序同时使用静态内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程中保留它们的值
终止程序。正常终止main函数，也可能是意外终止