程序的编译、链接-编程知识

前言：

前置知识回顾

宏

宏定义常量

宏定义语句

宏定义函数

条件编译

应用场景

编译过程概览

预编译阶段

编译阶段

汇编阶段

链接阶段

前言：

在ANSI C的任何一种实现中，存在两种不同的环境，第1种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令；第2种是执行环境，它用于实际执行代码，将磁盘中的可执行文件装载到内存中，CPU才能通过总线读取内存中的指令，才能真正执行程序；本文重点阐述程序的翻译坏境；

前置知识回顾

宏

#define 机制包括了一个规定，允许把参数替换到文本中，这种实现通常称为宏（macro）或定义宏（define macro）；

命名习惯：宏名全部大写

//宏的声明:#define name( parament-list ) stuff
//其中的 parament-list 是一个由逗号隔开的符号表，它们可能出现在stuff中;
//注意:参数列表的左括号必须和宏名name紧邻;
//如果宏名与参数列表之间有任何空白存在,参数列表就会被解释为stuff的一部分;

宏定义常量

# define ROW 10            //宏定义整型常量
# define PI  3.14          //宏定义浮点型常量
# define STR "hello world" //宏定义字符串
int main()
{printf("%d %f %s\n", ROW, PI, STR);return 0;
}

运行结果：

宏定义语句

# define PRINTF printf("Hello Linux!\n");
int main()
{int i = 10;PRINTF;return 0;
}

运行结果：

宏定义函数

宏可以接收参数且不用指定参数类型；

# define ADD(x,y) ((x)+(y))
int main()
{int m = 10;int n = 10;float d1 = 4.5;float d2 = 5.5;printf("%d\n", ADD(m,n));printf("%f\n", ADD(d1, d2));return 0;
}

运行结果：

条件编译

编译程序时使用条件编译指令选择性的将一条语句/一组语句编译或者放弃；

//常见的条件编译指令
#if：    如果条件为真，则执行相应的操作;
#elif:   类似于else if的用法，当前面条件为假，再判断该条件是否为真，如果是真，则执行相应操作;
#else:   如果前面所有条件均为假，则执行相应操作;
#ifdef:  如果该宏已定义，则执行相应操作;
#ifndef: 如果该宏没有定义，则执行相应操作;
#endif : 结束对应的条件编译指令(不能省略);

应用场景

# define VERSION1 1
//# define VERSION2 2
int main()
{
#ifdef VERSION1printf("Hello Version1.0\n");
#elif VERSION2printf("Hello Version2.0\n")
#else printf("Hello Free Version");
#endifreturn 0;
}

运行结果：

//# define VERSION1 1
//# define VERSION2 2
int main()
{
#ifdef VERSION1printf("Hello Version1.0\n");
#elif VERSION2printf("Hello Version2.0\n")
#else printf("Hello Free Version\n");
#endifreturn 0;
}

运行结果：

编译过程概览

将一个.c文件翻译为可执行文件，需要经过预编译（prepressing) 、编译（compliation）、汇编（assernbly）、链接（linking）四个阶段；

预编译阶段

头文件展开
去掉注释
宏替换
条件编译

 //vim编辑器编写test.c文件# include <stdio.h># define M 100int main(){printf("%d\n",M);                                                                                                                           //printf("hello Linux!\n");//printf("hello Linux!\n");//printf("hello Linux!\n");printf("hello world!\n"); return 0;}

Linux环境使用选项 gcc -E test.c -o test.i

此条语句的含义为从现在开始进行程序的翻译过程，当预处理结束时，停止程序的翻译过程；

上图生成test.i文件，使用vim编辑器打开test.i文件；

注释被删除掉，宏定义的M被替换为100，使用选项 vim /usr/include/stdio.h 打开c标准库对比发现头文件被替换；

使用vim编辑器编写code.c代码，code.c代码使用条件编译指令；

//vim编辑器编写code.c代码
# define VERSION1 1
//# define VERSION2 2
int main()
{
#ifdef VERSION1printf("Hello Version1.0\n");
#elif VERSION2printf("Hello Version2.0\n")
#else printf("Hello Free Version\n");
#endifreturn 0;
}

编译阶段

1. 词法分析：词法分析器处理test.i文件，将字符串切割成一个个记号(mark)；

例如：sum=a+b；会产生五个记号："sum" "=" "a" "+" "b"
2. 语法分析：语法分析器将产生的记号组织成一个个表达式，以表达式为节点，生成一颗语法树；
3. 语义分析：语义分析器处理声明以及数据类型、给语法树的节点赋予数据类型；
4. 中间代码：根据语法树生成中间代码，以上的步骤是硬件平台无关的，而中间代码之后的处理则需要根据程序运行的硬件平台来决定；
5. 代码生成器：代码生成器将中间代码转换成对应硬件平台的汇编代码test.s；

Linux环境使用选项 gcc -S test.c -o test.s

此条语句的含义为从现在开始进行程序的翻译过程，当编译结束时，停止程序的翻译过程；

汇编阶段

汇编器：汇编器根据 汇编指令与机器指令的对照表 将汇编代码翻译成机器指令，生成目标文件test.o；

目标文件由若干个段（section）组成，每个段中存放不同的内容；

目标文件中的基本段类型：文件头、代码段、数据段、bss段、常量段、段表、符号表、重定位表；

文件头：文件头位于目标文件开始位置，它定义了elf魔数，目标文件的属性、运行的软硬件平台、程序入口地址、段表的位置及长度、段的数量；

代码段：存放 机器指令；

数据段: 存放 已经初始化的全局变量以及静态变量；

常量段：存放 字符串常量以及被const修饰的变量；

bss段：存放 未初始化的全局变量以及静态变量所占用的内存大小；

段表： 记录了目标文件中所有段的地址以及属性（读写or可执行）等信息；

符号表：记录与程序相关的所有符号（如变量、函数名），变量或者函数所对应的地址和属性；

重定位表：重定位表用于指示需要进行重定位的指令或数据，记录了位置信息、长度以及对应的符号引用；