程序的运行过程（详解）

灰太狼 2024-03-24 16:13 23阅读 0赞

为更清晰的理解本博客中的内容，建议下载VScode及配置相关环境来实践（当然仅阅读也能理解）下载教程链接： [VScode安装、C/C++环境配置][VScode_C_C]

#### 文章目录 ####

*   *  一、程序的翻译环境和执行环境
     *   *  翻译环境
         *  编译本身的几个阶段
     *  二、程序编译过程详解（接上文）
     *   *  1.预编译过程
         *   *  预编译中的头文件的包含
             *  注释的删除和\#define定义的替换
         *  2.编译过程
         *   *  翻译成汇编代码
         *  3.汇编过程
         *   *  转化成目标文件
         *  4.链接过程
         *   *  符号汇总与形成符号表
             *  合并段表
             *  符号表的合并和重定位

--------------------

### 一、程序的翻译环境和执行环境 ###

在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

> 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

![image.png][]

#### 翻译环境 ####

> 组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。  
> 每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。  
> 链接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人 的程序库，将其需要的函数也链接到程序中

每一个源文件都会经过编译器的单独处理生成一个目标文件。  
![image.png][image.png 1]

#### 编译本身的几个阶段 ####

![image.png][image.png 2]

### 二、程序编译过程详解（接上文） ###

#### 1.预编译过程 ####

##### 预编译中的头文件的包含 #####

写完test.c后（test.c是自己所编写的C语言程序）按ctrl和·（注意是撇，在esc键下面的那一个（若不管用再同时按shift键））输入指令gcc test.c -E 结果为：  
![image.png][image.png 3]  
若想将仔细观察输出的内容，可以将其输入到test.i（test.i文件是系统自创的）文件中，具体做法如下：  
输入指令gcc test.c -E -o test.i 将上面的代码输入到test.i文件中（注意是.i文件，不要是.其它）。  
![image.png][image.png 4]  
**test.c与test.i文件的对比：**  
![image.png][image.png 5]  
**那么这是什么呢？**  
我们知道编写C程序时需添加头文件如\#include<stdio.h>，而在代码运行时会将该头文件包含进test.c文件中，输入指令gcc test.c -E -o test.i此时生成的test.i文件中所包含的就是简化后的stdio.h和编写的C程序，该过程就是**预编译中的头文件的包含。**

##### 注释的删除和\#define定义的替换 #####

将上述代码进行修改，重新生成test.i文件（若test.i文件仍是未修改前的，需先将test.c文件进行保存再重新生成）。  
结果如下：  
![image.png][image.png 6]  
可以看出编译器删除了注释，并将\#define定义进行替换。这就是**注释的删除和\#define定义的替换**。

#### 2.编译过程 ####

##### 翻译成汇编代码 #####

输入gcc test.i -S生成test.s文件，打开test.s可以看到：  
![image.png][image.png 7]  
此时生成的test.s文件中的就是由源代码翻译成的汇编代码。（相信大家对什么是汇编代码有一定的了解，就不做过多解释了）该过程包括**语法分析、词法分析、语义分析、符号汇总**。（其中**符号汇总**会在文末与其它一起讲解）

#### 3.汇编过程 ####

##### 转化成目标文件 #####

接上文，输入指令gcc test.s -c生成一个test.o文件，结果如下：  
![image.png][image.png 8]  
可以看出，该文件是二进制文件也是目标文件（在VS上目标文件后缀是.obj 而gcc上是.o）。汇编过程是将汇编代码转化成目标文件同时生成符号表（**符号表**文末与其它一同讲解），方便链接器的运行。

#### 4.链接过程 ####

链接过程中会进行合并段表和符号表的合并和重定位。（在链接器中进行的）  
上文提到过每一个源文件都会经过编译器的单独处理生成一个目标文件，而链接过程则与其密切相关。  
对上述代码稍微进行改造并添加了一个add.c文件。（链接过程会与符号汇总和符号表一同讲解）  
改造后代码如下：  
![image.png][image.png 9]

##### 符号汇总与形成符号表 #####

在符号汇总过程中会对代码进行分析，查找代码是否存在全局的符号（如Add、main）将其汇总起来，接着在汇编过程中形成符号表。（发生在编译过程）  
![image.png][image.png 10]

##### 合并段表 #####

接下来进行合并段表与符号表的合并和重定位。（发生在链接过程）  
在这里需要提一下，此时已经生成.o文件即目标文件，该目标文件是有格式的。以gcc为例，目标文件的格式是elf格式。接下来简要概括**合并段表**的过程。  
![image.png][image.png 11]

##### 符号表的合并和重定位 #####

将上述符号表进行合并，按地址是否有效决定合并后的地址。  
![image.png][image.png 12]  
而经常出现的错误，也是在该过程中识别并报错的：  
![image.png][image.png 13]

**最后生成可执行程序。**

**如果有帮助，请三连 (⑅˃◡˂⑅)**

[VScode_C_C]: https://www.bilibili.com/video/BV1UK411C7xi?p=1&vd_source=66c55439e59712511659c616bfbcc197
[image.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/7b1b257a79d14489937809b4455c1f5e.png
[image.png 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/bd2f20702e774f959c4275f08ead447a.png
[image.png 2]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/2209a10975ce40b2b2c2281b7c26d9f4.png
[image.png 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/1bee80bccbc9455f9cbbd24e8dc063ef.png
[image.png 4]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/10456e665d424219b19a795067e03bde.png
[image.png 5]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/f9b048627e184553b7b37b90085f6dc6.png
[image.png 6]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/bd3e64083942450aa545642ec71b0b7b.png
[image.png 7]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/3be050b728144936b50d9cf2c2ee3501.png
[image.png 8]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/1f554b67e5784f0493f5590401cd8ecc.png
[image.png 9]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/ecf3f203ba964de9b893334a32aa70ab.png
[image.png 10]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/b0efc001c99f4350bbd98241d500fb01.png
[image.png 11]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/a51756669ad54d0489884b9aa174a684.png
[image.png 12]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/99a957d442504ebf9bcfd9a1dd0fe009.png
[image.png 13]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/988df51aff234f2daa1538f1e26d4ae8.png