C语言编译过程详解

编译的完整过程：

C源程序－－>预编译处理(.c)－－>编译、优化程序（.s、.asm）－－>汇编程 序(.obj、.o、.a、.ko)－－>链接程序（.exe、.elf、.axf等）

1.预编译阶段：读取c源程序，对其中的伪指令和特殊符号处理

伪指令：

         (1)宏定义指令:#define,#undef,etc

         (2)条件编译指令：#if, #else,#endif:将不需要的代码处去

         (3)头文件包含指令：#include ,替换当前行

         (4)特殊符号：如__LINE__,__func__

 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.编译和优化阶段：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优化。
         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。
        经过优化得到的汇编代码必须经过汇编程序的汇编转换成相应的机器指令，方可能被机器执行。

3.汇编阶段：  汇编过程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（TEXT）：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（DATA）：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。iodata段只可读，写时MMU会发出异常。BSS段存放未初始化或初始化为0的全局变量。

        栈（STACK）：函数临时变量，函数入口和返回值。

        堆（HEAP）   ：需要用户分配的空间。
 UNIX环境下主要有三种类型的目标文件：
 （1）可重定位文件
其中包含有适合于其它目标文件链接来创建一个可执行的或者共享的目标文件的代码和数据。
 （2）共享的目标文件
         这种文件存放了适合于在两种上下文里链接的代码和数据。
         第一种是链接程序可把它与其它可重定位文件及共享的目标文件一起处理来创建另一个 目标文件；
         第二种是动态链接程序将它与另一个可执行文件及其它的共享目标文件结合到一起，创建一个进程映象。
（3）可执行文件
        它包含了一个可以被操作系统创建一个进程来执行之的文件。  

        汇编程序生成的实际上是第一种类型的目标文件。对于后两种还需要其他的一些处理方能得到，这个就是链接程序的工作了。

4.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。
    例如，某个源文件中的函数可能引用了另一个源文件中定义的某个符号（如变量或者函数调用等）；在程序中可能调用了某个库文件中的函数，等等。所有的这些问题，都需要经

链接程序的处理方能得以解决。
    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：
 （1）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。
 （2） 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。