代码的编译+链接过程的介绍

        C语言的编译链接过程要把我们编写的一个C程序（源代码）转换成可以在硬件上运行的程序（可执行程序），

需要进行编译和链接。编译就是把文本形式源代码翻译成机器语言形式的目标文件的过程。链接就是把目标文件、操

作系统的启动代码和用到的库文件进行组织形成最终生成可执行代码的过程。过程图解如下：

     从上图可以看出，整个代码的编译过程分为编译和链接两个过程，编译对应图中的大括号括起来的部分，其余则

为链接过程。编译过程又可以分为两个阶段：编译和汇编。

      预编译

　　将.c 文件转化成 .i文件

　　使用的gcc命令是：gcc –E

　　对应于预处理命令cpp

　　编译

　　将.c/.h文件转换成.s文件

　　使用的gcc命令是：gcc –S

　　对应于编译命令 cc –S

　　汇编

　　将.s 文件转化成 .o文件

　　使用的gcc 命令是：gcc –c

　　对应于汇编命令是 as

　　链接

　　将.o文件转化成可执行程序

　　使用的gcc 命令是： gcc

　　对应于链接命令是 ld

编译：是读取源程序（字符流），对之进行词法和语法额分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码，源文件

的编译过程包含两个阶段：

（1）预处理阶段，在正式的编译阶段之前进行。预处理阶段根据以放置在文件中的预处理指令来修改源文件的内

容。如#include 指令就是一个预处理指令，它把头文件的内容添加到.cpp文件中。这个编译之前修改源文件的方式

提供了很大的灵活性，以适应不同的计算机和操作系统环境的限制。一个环境需要的代码跟另一个环境所需的代码可

能有所不同，因为可用的硬件或操作系统是不同的。在许多情况下，可以把用于不同环境的代码放在同一个文件中，

再在预处理阶段修改代码，使之适应当前的环境。

  主要是以下几方面的 处理：

•    宏定义指令，如 #define a  b

对于这种伪指令，预编译所要做的是将程序中的所有a用b替换，但作为字符串常量的a则不被替换。还有#undef，则

将取消对某个宏的定义，使以后该串的出现不在被替换。

•  条件编译指令，如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif等。

这些伪指令的 引入使得程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。预编译程序将根据有关的

文件，将那些不必要的代码过滤掉。

•  头文件包含指令，如#include"FileName"或者#include等。

在头文件中一般用伪指令#define定义了大量的宏（最常见的是字符常量），同时包含有各种外部符号的声明。采用

头文件的目的主要是为了使某些定义可以供给多个不同的C源程序使用。因为在需要用到这些定义的C源程序中，只需

要加上一条#include语句即可，而不必再在此文件中将这些定义重复一遍。预编译程序将把头文件中的定义统统都加

入到它所产生的输出文件中，以供编译程序对之进行处理。包含到C源程序中的头文件可以是系统提供的，这些头文

件一般放在/usr/include目录下。在程序中#include 它们要使用尖括号（<>）。

• 特殊符号，预编译程序可以识别一些特殊的符号。

　　例如在源程序中出现的LINE标识将被解释为当前行号(十进制数)，FILE则被解释为当前被编译的C源程序的名

称。预编译程序对于在源程序中出现的这些串将用合适的值进行替换。

　　预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代，生成一个没有宏定义、没有条件编译指

令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的，但内容有所不同。下一步，此

输出文件将作为编译程序的输出而被翻译成为机器指令。

　　（2）第二个阶段编译、优化阶段，经过预编译得到的输出文件中，只有常量;如数字、字符串、变量的定义，以及C语

言的关键字，如main,if,else,for,while,{,}, +,-,*,\等等。编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析，在确认

所有的指令都符合语法规则之后，将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。优化处理是编译系统中一项比较艰深

的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关，而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代

码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。对于前一种优化，主

要的工作是删除公共表达式、循环优化(代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等)、复写传播，以

及无用赋值的删除，等等。后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关，最主要的是考虑是如何充分利用机器的各

个硬件寄存器存放的有关变量的值，以减少对于内存的访问次数。另外，如何根据机器硬件执行指令的特点(如流水

线、RISC、CISC、VLIW等)而对指令进行一些调整使目标代码比较短，执行的效率比较高，也是一个重要的研究课题。

　　汇编

　　汇编实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。对于被翻译系统处理的每一个C语言源程序，都将最

终经过这一处理而得到相应的目标文件。目标文件中所存放的也就是与源程序等效的目标的机器语言代码。目标文件

由段组成。通常一个目标文件中至少有两个段：

• 　　代码段：该段中所包含的主要是程序的指令。该段一般是可读和可执行的，但一般却不可写。
• 　　数据段：主要存放程序中要用到的各种全局变量或静态的数据。一般数据段都是可读，可写，可执行的。

　链接过程

　　由汇编程序生成的目标文件并不能立即就被执行，其中可能还有许多没有解决的问题。链接程序的主要工作就是

将有关的目标文件彼此相连接，也即将在一个文件中引用的符号同该符号在另外一个文件中的定义连接起来，使得所

有的这些目标文件成为一个能够诶操作系统装入执行的统一整体。

  根据开发人员指定的同库函数的链接方式的不同，链接处理可分为两种：

• 　　静态链接

　　在这种链接方式下，函数的代码将从其所在地静态链接库中被拷贝到最终的可执行程序中。这样该程序在被执行

时这些代码将被装入到该进程的虚拟地址空间中。静态链接库实际上是一个目标文件的集合，其中的每个文件含有库

中的一个或者一组相关函数的代码。

• 　　 动态链接

　　在此种方式下，函数的代码被放到称作是动态链接库或共享对象的某个目标文件中。链接程序此时所作的只是在

最终的可执行程序中记录下共享对象的名字以及其它少量的登记信息。在此可执行文件被执行时，动态链接库的全部

内容将被映射到运行时相应进程的虚地址空间。动态链接程序将根据可执行程序中记录的信息找到相应的函数代码。

　　对于可执行文件中的函数调用，可分别采用动态链接或静态链接的方法。使用动态链接能够使最终的可执行文件

比较短小，并且当共享对象被多个进程使用时能节约一些内存，因为在内存中只需要保存一份此共享对象的代码。但

并不是使用动态链接就一定比使用静态链接要优越。在某些情况下动态链接可能带来一些性能上损害。

   接下来，让我们熟悉一下预处理标识符：

__FILE__  ：进行编译的文件

__LINE__  ：文件当前行号

__DATE__  ：文件被编辑的周期

__TIME__  ：文件被编辑的时间

# ：使用预处理器将宏参数转换成一个字符串

##：将位于它两边的符号连接成一个符号。

示例 ：

__FILE__  ：用Linux指令来观察它的预处理结果和最后输出的结果

__LINE__ ，__DATE__  ，__TIME__也是同理，因此将它们一次写完观察预处理之后的结果即gcc -E  mytest.c -o mytest.i，也可以直接观察程序运行完之后的结果即gcc mytest.c 然后用./a.out观察程序运行完的结果

示例：

'#‘使用预处理器将宏参数转换成一个字符串代码如下：

运行结果如下：

’##‘使用是将位于它两边的符号连接成一个符号可以用于宏函数的替换部分,下面我们在VS里看一个程序和它的运行结果。

让我们再来了解一下使用宏的优点：

(1) 方便程序的修改 

使用简单宏定义可用宏代替一个在程序中经常使用的常量，这样在将该常量改变时，不用对整个程序进行修改，只修

改宏定义的字符串即可，而且当常量比较长时， 我们可以用较短的有意义的标识符来写程序，这样更方便一些。

(2) 提高程序的运行效率 

使用带参数的宏定义可完成函数调用的功能，又能减少系统开 销，提高运行效率。正如C语言中所讲，函数的使用可

以使程序更加模块化，便于组织，而且可重复利用，但在发生函数调用时，需要保留调用函数的现场，以便子 函数执

行结束后能返回继续执行，同样在子函数执行完后要恢复调用函数的现场，这都需要一定的时间，如果子函数执行的

操作比较多，这种转换时间开销可以忽 略，但如果子函数完成的功能比较少，甚至于只完成一点操作，但使用带参数

的宏定义就不会出现这个问 题，因为它是在预处理阶段即进行了宏展开，在执行时不需要转换，即在当地执行。宏定

义可完成简单的操作，但复杂的操作还是要由函数调用来完成，而且宏定义 所占用的目标代码空间相对较大。所以在

使用时要依据具体情况来决定是否使用宏定义。