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一.翻译环境和运行环境

二.翻译环境

​编辑 1.预处理（预编译）

（1）.#和##运算符

①.#运算符

②## 运算符 

（2）.#undef

（3）.条件编译 

 ①单分支的条件编译

②多个分支的条件编译 

③判断是否被定义 

​编辑 ④嵌套指令

2.编译

（1）.词法分析 

（2）.语法分析

（3）.语义分析

 3.汇编

4.链接

三.运行环境

 

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在这之前，我们已经学习了很多的c语言的知识，学习了进行代码的编写和运行，那么，是什么让我们编写完的代码成功的运行和输出我们想要的结果呢？这就是我们今天要讲的内容：编译，链接和预处理详解。

首先，在我们进行对它们进行深入了解之前。我们要先知道什么是翻译环境和运行环境。

一.翻译环境和运行环境

在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境，他们就是翻译环境和运行环境，而我们今天要学习的编译和链接就处在翻译环境当中。

在我们进行代码编写后，我们会形成一个或多个的(.c)文件，计算机会将这些(.c)文件放入到翻译环境中，经过编译，链接，将源代码转换为计算机可执行的机器指令即：二进制指令。之后，放入到Windows环境下（运行环境），他会形成(.exe)为后缀的可执行程序，最后进行输出。

 我们一下面图片中的代码为例：

运行完后，我们在我们文件中就可以发现我们生成的(.exe)文件.

二.翻译环境

那翻译环境是怎么将源代码转换为可执行的机器指令的呢？这里我们就得深入了解一下翻译环境所 做的事情。 

其实翻译环境是由编译和链接两个大的过程组成的，而编译又可以分解成：预处理（有些书也叫预编译、编译、汇编三个过程。

并且在编译和链接中还存在着看不见的编译器（cl.exe）和链接器（link.exe），编译器会将（.c）文件生成对应的（.obj）目标文件（windows环境下）或（.o）目标文件（Linux环境下）。之后目标文件会和链接库在链接器的作用下生成（.exe）的可执行程序。

我们还是一上面的代码为例，去查看是否生成了（.obj）文件：

 

我们发现我们不仅成功找到了（.obj）文件，还在寻找的过程中发现了 Add.c文件和test.c文件

总结：

• 多个.c文件单独经过编译器，编译处理生成对应的目标文件。
• 注：在Windows环境下的目标文件的后缀是 .obj ，Linux环境下目标文件的后缀是 .o
• 多个目标文件和链接库一起经过链接器处理生成最终的可执行程序。
• 链接库是指运行时库(它是支持程序运行方的基本函数集合)或者第三库。

在刚才我们也提到了编译也分为3个部分： 预处理（有些书也叫预编译、编译、汇编三个过程。

 1.预处理（预编译）

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。 在 gcc 环境下想观察⼀下，对 test.c 文件预处理后的.i文件，命令如下：

gcc -E test.c -o test.i

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。
• 或保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使用。

 我们发现我们的#define，注释都被删除，宏定义也都被展开。

（1）.#和##运算符

①.#运算符

#运算符将宏的一个参数转换为字符串字面量。它仅允许出现在带参数的宏的替换列表中。 #运算符所执行的操作可以理解为“字符串化”

当我们有⼀个变量 int a = 10; 的时候，我们想打印出： the value of a is 10 . 就可以写：

#define PRINT(n) printf("the value of "#n " is %d", n);

而代码就会被预处理为： 

printf("the value of ""a" " is %d", a);

②## 运算符 

## 可以把位于它两边的符号合成一个符号，它允许宏定义从分离的文本片段创建标识符。 ## 被称 为记号粘合

 这样的连接必须产生以个合法的标识符。否则其结果就是未定义的

//宏定义
#define GENERIC_MAX(type) \
type type##_max(type x, type y)\
{ \return (x>y?x:y); \
}
GENERIC_MAX(int) //替换到宏体内后int##_max ⽣成了新的符号 int_max做函数名
GENERIC_MAX(float) //替换到宏体内后float##_max ⽣成了新的符号 float_max做函数名
int main()
{//调⽤函数int m = int_max(2, 3);printf("%d\n", m);float fm = float_max(3.5f, 4.5f);printf("%f\n", fm);return 0;
}

（2）.#undef

这条指令用于移除一个宏定义。 

 

我们发现当我们用#undef修饰M后，M就不能够使用了，这就是#undef移除宏定义的作用。 

（3）.条件编译 

在编译一个程序的时候我们如果要将一条语句（一组语句）编译或者放弃是很方便的。因为我们有条件编译指令。

 ①单分支的条件编译

#if 常量表达式

      //...

#endif

#include<stdio.h>
#define M 5
int main()
{
#if M==5printf("%d", M);
#endifreturn 0;
}

②多个分支的条件编译 

#if 常量表达式

      //...

#elif 常量表达式

      //...

#else

     //...

#endif

#include<stdio.h>
#define M 5
int main()
{
#if M==1printf("haha\n" );
#elif M==2printf("hehe\n");
#elif M==5printf("heihei\n");
#endifreturn 0;
}

③判断是否被定义 

有两种写法

第一种：#if defined(symbol)

第二种：#ifdef symbol

 第一种：

#include<stdio.h>
#define M
int main()
{
#if defined (M)printf("haha\n");
#endifreturn 0;
}

第二种：

#include<stdio.h>
#define M
int main()
{
#ifdef Mprintf("haha\n");
#endifreturn 0;
}

当然，这两个种条件编译的反义也有两种形式 

第一种：#if !defined(symbol)

第二种：#ifndef symbol

第一种： 

#include<stdio.h>int main()
{
#if defined(M)printf("hehe\n");
#endif
#if !defined (M)printf("haha\n");
#endifreturn 0;
}

第二种： 

#include<stdio.h>int main()
{
#ifdef M printf("hehe\n");
#endif
#ifndef Mprintf("haha\n");
#endifreturn 0;
}

 ④嵌套指令

#if defined(OS_UNIX)#ifdef OPTION1unix_version_option1();#endif#ifdef OPTION2unix_version_option2();#endif
#elif defined(OS_MSDOS)#ifdef OPTION2msdos_version_option2();#endif
#endif

2.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。 编译过程的命令如下：

gcc -S test.i -o test.s

下面以这段代码为例进行词法分析、语法分析、语义分析及优化：

array[index] = (index+4)*(2+6);

（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）。 上面程序进行词法分析后得到了16个记号：

记号	类型
array	标识符
[	左方括号
index	标识符
]	右方括号
=	赋值
(	左圆括号
index	标识符
+	加号
4	数字
)	右圆括号
*	乘号
(	左圆括号
2	数字
+	加号
6	数字
)	右圆括号

（2）.语法分析

接下来语法分析器，将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。

（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。

 3.汇编

汇编器是将汇编代码转转变成机器可执行的指令，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一一的进行翻译，也不做指令优化。 汇编的命令如下：

 gcc -c test.s -o test.o

4.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。 

一这段代码为例：test.c 经过编译器处理⽣成 test.o add.c 经过编译器处理⽣成 add.o

 test.c 经过编译器处理生成 test.o

 Add.c 经过编译器处理生成 Add.o

 在这之后他会生成两个符号表，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，这个地址修正的过程也被叫做：重定位。

 

三.运行环境

• 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。
• 程序的执行便开始。接着便调用main函数。
• 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），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。
• 终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。