編譯與執行過程

C程式編譯執行過程

認識C編譯執行過程，是C學習的開端。

簡單說C語言從編碼編譯到執行要經曆一下過程：

C源代碼

編譯---->形成目标代碼，目标代碼是在目标機器上運作的代碼。

連接配接---->将目标代碼與C函數庫相連接配接，并将源程式所用的庫代碼與目标代碼合并，并形成最終可執行的二進制機器代碼（程式）。

執行----->在特定的機器環境下運作C程式。

以上過程僅僅是個大概，詳細的過程相當複雜，下面這篇文章寫得很詳細，從中受益很多：

原文來自：http://www.vcgood.com/bbs/forum_posts.asp?tid=1400

編譯，編譯程式讀取源程式（字元流），對之進行詞法和文法的分析，将進階語言指令轉換為功能等效的彙編代碼，再由彙程式設計式轉換為機器語言（二進制），并且按照作業系統對可執行檔案格式的要求連結生成可執行程式。

C源程式頭檔案－－>預編譯處理(cpp)－－>編譯程式本身－－>優化程式－－>彙程式設計式－－>連結程式-->可執行檔案

1.編譯預處理

讀取c源程式，對其中的僞指令（以#開頭的指令）和特殊符号進行處理

[析] 僞指令主要包括以下四個方面

（1）宏定義指令，如#define Name TokenString,#undef等。對于前一個僞指令，預編譯所要做的是将程式中的所有Name用TokenString替換，但作為字元串常量的Name則不被替換。對于後者，則将取消對某個宏的定義，使以後該串的出現不再被替換。

（2）條件編譯指令，如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。這些僞指令的引入使得程式員可以通過定義不同的宏來決定編譯程式對哪些代碼進行處理。預編譯程式将根據有關的檔案，将那些不必要的代碼過濾掉

（3）頭檔案包含指令，如#include "FileName"或者#include <FileName>等。在頭檔案中一般用僞指令#define定義了大量的宏（最常見的是字元常量），同時包含有各種外部符号的聲明。采用頭檔案的目的主要是為了使某些定義可以供多個不同的C源程式使用。因為在需要用到這些定義的C源程式中，隻需加上一條#include語句即可，而不必再在此檔案中将這些定義重複一遍。預編譯程式将把頭檔案中的定義統統都加入到它所産生的輸出檔案中，以供編譯程式對之進行處理。

包含到c源程式中的頭檔案可以是系統提供的，這些頭檔案一般被放在/usr/include目錄下。在程式中#include它們要使用尖括号（<>）。另外開發人員也可以定義自己的頭檔案，這些檔案一般與c源程式放在同一目錄下，此時在#include中要用雙引号（""）。

（4）特殊符号，預編譯程式可以識别一些特殊的符号。例如在源程式中出現的LINE辨別将被解釋為目前行号（十進制數），FILE則被解釋為目前被編譯的C源程式的名稱。預編譯程式對于在源程式中出現的這些串将用合适的值進行替換。

預編譯程式所完成的基本上是對源程式的“替代”工作。經過此種替代，生成一個沒有宏定義、沒有條件編譯指令、沒有特殊符号的輸出檔案。這個檔案的含義同沒有經過預處理的源檔案是相同的，但内容有所不同。下一步，此輸出檔案将作為編譯程式的輸出而被翻譯成為機器指令。（隻是簡單的替代，無文法檢查）

2.編譯階段

經過預編譯得到的輸出檔案中，将隻有常量。如數字、字元串、變量的定義，以及C語言的關鍵字，如main,if,else,for,while,{,},+,-,*,\，等等。預編譯程式所要作得工作就是通過詞法分析和文法分析，在确認所有的指令都符合文法規則之後，将其翻譯成等價的中間代碼表示或彙編代碼。

3.優化階段

優化處理是編譯系統中一項比較艱深的技術。它涉及到的問題不僅同編譯技術本身有關，而且同機器的硬體環境也有很大的關系。優化一部分是對中間代碼的優化。這種優化不依賴于具體的計算機。另一種優化則主要針對目标代碼的生成而進行的。上圖中，我們将優化階段放在編譯程式的後面，這是一種比較籠統的表示。

對于前一種優化，主要的工作是删除公共表達式、循環優化（代碼外提、強度削弱、變換循環控制條件、已知量的合并等）、複寫傳播，以及無用指派的删除，等等。

後一種類型的優化同機器的硬體結構密切相關，最主要的是考慮是如何充分利用機器的各個硬體寄存器存放的有關變量的值，以減少對于記憶體的通路次數。另外，如何根據機器硬體執行指令的特點（如流水線、RISC、CISC、VLIW等）而對指令進行一些調整使目标代碼比較短，執行的效率比較高，也是一個重要的研究課題。

經過優化得到的彙編代碼必須經過彙程式設計式的彙編轉換成相應的機器指令，方可能被機器執行。

4.彙編過程

彙編過程實際上指把彙編語言代碼翻譯成目标機器指令的過程。對于被翻譯系統處理的每一個C語言源程式，都将最終經過這一處理而得到相應的目标檔案。目标檔案中所存放的也就是與源程式等效的目标的機器語言代碼。

目标檔案由段組成。通常一個目标檔案中至少有兩個段：

代碼段 　該段中所包含的主要是程式的指令。該段一般是可讀和可執行的，但一般卻不可寫。

資料段　 主要存放程式中要用到的各種全局變量或靜态的資料。一般資料段都是可讀，可寫，可執行的。

UNIX環境下主要有三種類型的目标檔案：

（1）可重定位檔案 　其中包含有适合于其它目标檔案連結來建立一個可執行的或者共享的目标檔案的代碼和資料。

（2）共享的目标檔案　這種檔案存放了适合于在兩種上下文裡連結的代碼和資料。第一種事連結程式可把它與其它可重定位檔案及共享的目标檔案一起處理來建立另一個目标檔案；第二種是動态連結程式将它與另一個可執行檔案及其它的共享目标檔案結合到一起，建立一個程序映象。

（3）可執行檔案 　　它包含了一個可以被作業系統建立一個程序來執行之的檔案。

彙程式設計式生成的實際上是第一種類型的目标檔案。對于後兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個就是連結程式的工作了。

5.連結程式

由彙程式設計式生成的目标檔案并不能立即就被執行，其中可能還有許多沒有解決的問題。例如，某個源檔案中的函數可能引用了另一個源檔案中定義的某個符号（如變量或者函數調用等）；在程式中可能調用了某個庫檔案中的函數，等等。所有的這些問題，都需要經連結程式的處理方能得以解決。

連結程式的主要工作就是将有關的目标檔案彼此相連接配接，也即将在一個檔案中引用的符号同該符号在另外一個檔案中的定義連接配接起來，使得所有的這些目标檔案成為一個能夠诶作業系統裝入執行的統一整體。

根據開發人員指定的同庫函數的連結方式的不同，連結處理可分為兩種：

（1）靜态連結　在這種連結方式下，函數的代碼将從其所在地靜态連結庫中被拷貝到最終的可執行程式中。這樣該程式在被執行時這些代碼将被裝入到該程序的虛拟位址空間中。靜态連結庫實際上是一個目标檔案的集合，其中的每個檔案含有庫中的一個或者一組相關函數的代碼。

（2）動态連結　　在此種方式下，函數的代碼被放到稱作是動态連結庫或共享對象的某個目标檔案中。連結程式此時所作的隻是在最終的可執行程式中記錄下共享對象的名字以及其它少量的登記資訊。在此可執行檔案被執行時，動态連結庫的全部内容将被映射到運作時相應程序的虛位址空間。動态連結程式将根據可執行程式中記錄的資訊找到相應的函數代碼。

對于可執行檔案中的函數調用，可分别采用動态連結或靜态連結的方法。使用動态連結能夠使最終的可執行檔案比較短小，并且當共享對象被多個程序使用時能節約一些記憶體，因為在記憶體中隻需要儲存一份此共享對象的代碼。但并不是使用動态連結就一定比使用靜态連結要優越。在某些情況下動态連結可能帶來一些性能上損害。

經過上述五個過程，C源程式就最終被轉換成可執行檔案了。預設情況下這個可執行檔案的名字被命名為a.out。

本文出自 “熔 岩” 部落格，請務必保留此出處http://lavasoft.blog.51cto.com/62575/187229

附：

函數調用問題：

.h檔案中均為聲明；.c中均為定義；