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C語言進階：程序預處理

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摘要：程序預處理本章節研究的是，源代碼文件是如何一步步得到一個可執行程序的。如的語句被稱為預處理指令，還有注釋文本的刪除，都在此階段完成替換。目的是能夠將所有文件中的代碼組合到一起成一個完整的程序。終止程序可以正常也可以意外終止程序。

程序預處理

本章節研究的是，源代碼文件test.c是如何一步步得到一個可執行程序test.exe的。在之前的學習中可知.c文件要先后經過編譯鏈接成.exe文件再執行。

程序的編譯鏈接運行如下圖所示。翻譯中編譯又包括預編譯、編譯、匯編。

編譯鏈接執行三個步驟，都需要為其配置不同的環境。編譯和鏈接在翻譯環境中，而執行在運行環境中發生。

  • 翻譯環境：在該環境中源代碼被轉換成可執行的機器指令。
  • 執行環境：用于實際執行代碼。

程序的翻譯環境

翻譯階段的大致流程如下圖所示。

組成一個程序的每個.c源文件都會被編譯器編譯，分別生成對應的.obj目標文件。多個目標文件以及引入的鏈接庫被鏈接器鏈接在一起，形成一個單一的.exe可執行程序。

編譯器即是一個用于編譯代碼的工具，在vs環境下為cl.exe的可執行程序。連接器則是用于鏈接所有目標文件的工具，在vs中為link.exe的可執行程序，鏈接庫是標準中任何被該程序用到的函數。如圖：

而若想觀察翻譯代碼過程中的每一個流程的具體細節，在集成開發環境vs中不便展示，當然我們可以使用Linux環境下的gcc編譯器。

此次演示就采用加法函數，分別存放在兩個文件test.c和add.c。

//1. add.cint Add(int x, int y){	int sum = x + y;	return sum;}//2. test.c#include  //聲明函數extern int Add(int x, int y);int main(){	int a = 10;	int b = 20;	int ret = 0;	ret = Add(a, b);	printf("ret = %d/n", ret);	return 0;}
預編譯

Linux環境下編寫完test.c文件的代碼后，輸入gcc test.c -E可以將代碼預編譯的結果輸出到屏幕上。還可以用gcc test.c -E -o test.i是將結果輸出到文件test.i。

如#include,#define,#pragma的語句被稱為預處理指令，還有注釋文本的刪除，都在此階段完成替換。

所有可以看出預編譯階段的動作都是文本操作：

  1. #include頭文件的包含
  2. #define預處理符號的替換
  3. 刪除注釋

預編譯，顧名思義，是在編譯前刪減代碼中的不必要的與機器識別代碼無關的內容。被稱為文本操作。

編譯

對預編譯產生的文件test.i再編譯gcc test.i -S，會自動生成匯編代碼test.s。

故編譯階段是將C語言代碼轉化為匯編代碼，這是整體現象。實際上會發生這四個動作：

  1. 詞法分析，語法分析，語義分析

詞法分析，語法分析，語義分析都是編譯器識別語句的操作。重點是接下接下來的符號匯總。

  1. 符號匯總

符號匯總，是只對全局符號進行匯總，局部符號是不進行匯總的。目的是能夠將所有文件中的代碼組合到一起成一個完整的程序。如add.c文件中的函數名Add，還有test.c文件中的Add和main。

匯編

gcc test.s -C將編譯結束產生的匯編代碼轉化成了二進制指令（機器指令）存入二進制文件test.o中。

匯編階段會形成符號表，因為機器在調用指令時需要知道其存放的位置，所謂符號表大概就是符號和其地址的集合。如圖，可以假設：

鏈接

鏈接將二進制指令目標文件test.o等，鏈接在一起形成可執行程序test.out。目標文件test.o是elf格式文件，在Linux平臺下可以用readelf翻譯并查看其內容。

鏈接階段的動作是：

  1. 合并段表

所謂的鏈接，就是將對應的段合并起來。

  1. 符號表的合并和重定位

符號表的合并，是將各自的符號表合并到一起。如test.o中的Add的無效地址，需把add.o中Add的地址合并過去再重定位到變量的真實地址，才是有意義的。

從編譯期間的符號匯總，到匯編時的形成符號表，再到鏈接時的合并和重定位符號表，都是為了最后生成可執行程序時能夠找到并鏈接各個文件中的符號。

程序的執行環境

  1. 程序首先載入內存

    有的機器上有操作系統，這個動作就是由操作系統完成，沒有的由手工完成。

  2. 執行調用main函數

  3. 創建函數棧幀

    程序使用一個運行時堆棧，存儲函數的局部變量和返回地址。

  4. 終止程序

    可以正常也可以意外終止程序。

程序的執行并不是本章的要點，所以就大概介紹一下。

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