C編譯鏈接——從代碼到可執行程序的蛻變之路

       計算機其實是比較笨的，它能夠識別的只有01序列。也許有人說，不會啊，明明計算機可以幫助我們做很多事情的呀。

       這就要說到計算機行業必不可少的職業：程序員。

       其實我們通常使用計算機來瀏覽網頁、玩遊戲等等功能的實現，都離不開程序員手裏的代碼。舉個例子，比如很多人都玩過的電腦小遊戲——掃雷。對於計算機使用者來說，只需要打開界面，就可以開始遊戲了。而對於程序員來說，首先要分析這個遊戲的邏輯關係以及它的玩法，分析清楚之後，使用編譯器來編寫實現這個遊戲的代碼，然後在編譯器環境下，編譯鏈接生成可執行程序——也就是計算機能夠識別的01序列，再經過後期界面設計等環節，掃雷遊戲就可以投入使用了。那麼，從源代碼到計算機能夠識別的01序列階段，到底發生了什麼樣的進化呢？

       我們上課時，常常聽到老師講“我們以前學習編代碼的時候，都是在紙帶打點，根據有點沒點來判斷是0是1 ”。隨着計算機的更新換代，也有老師說“我們當時學習編代碼的時候，都是彙編指令操作”。到現在，我們使用的都是C語言等高級語言，所謂高級語言，就是計算機替我們做了從源代碼到01序列的轉化。

       下面我們來看一下詳細的轉化過程：

       1. 預處理。即預編譯，在預處理過程中，主要實現宏替換、去註釋、頭文件展開以及條件編譯的功能。

       我們先來看一個簡單的C代碼：

<span style="font-size:24px;">#include<stdio.h>
#define DEBUG 
#define M 5
int main()
{
	int num = 5;
#ifdef DEBUG    //條件編譯
	printf("%d  %d\n", M, num);
#endif
	return 0;
}</span>

       這個代碼中，<stdio.h>是頭文件，其次，定義了兩個宏，其中宏DEBUG沒有賦值。接着，#ifdef是條件編譯，以#endif結尾，意思是，如果宏DEBUG被定義，那麼打印printf函數裏的內容。//是註釋。我們來在CenTOS環境下看一下預編譯後的程序：

                                   

       在這裏，大家可以看到，與源代碼相比，頭文件被展開；由於宏DEBUG被定義，所以條件編譯執行；而代碼中的宏M被5所替換，這就是宏替換；原先在代碼中的註釋也被去掉了。

       2. 編譯。源代碼經過解析，判斷它的語句的意思。在這個階段產生絕⼤多數的錯
誤和警告 。然後程序被翻譯成彙編代碼，再到目標代碼（這裏目標代碼顯示爲16進制）。下面是彙編代碼和目標代碼：

                                              

                                              

 

     3. 鏈接。每個目標文件代碼經過鏈接捆綁在⼀起，形成⼀個單⼀而完整的
可執行程序。同時，鏈接器也會引入標準C函數庫中任何被該程序所用到的函數，而且它
可以搜索程序員個人的程序庫，將其需要的函數也鏈接到程序中。在這個程序中，只有一個目標文件，C函數庫中要用到的函數是printf。

                

              上圖就是鏈接後生成的完整可執行程序的16進制序列。

       上面三個過程我們一般統稱爲源代碼的翻譯過程。但是我們編寫代碼的目的並不是要翻譯他，而是要讓他來達到我們使用的目的，那麼就需要運行的結果，所以除此之後，還有一個執行過程。

       執行過程大致分爲以下四步：

       1.程序載入內存。在馮諾依曼體系結構當中，計算機被分爲五大構件，即輸入、輸出，存儲器、運算器和控制器，其中運算器和控制器是CPU的核心部件。各部件運作關係如下圖：

       大家可以看到，輸入單元寫入內容後必然要先載入內存，然後傳到CPU，經過CPU處理後再次傳入內存進行輸出，也就是說，內存是連接輸入輸出的一個橋樑。我們使用的編譯器相當於輸入單元，那麼同樣的，代碼必須先載入內存，才能進行處理運算輸出。在有操作系統的環境中：⼀般這個由操作系統完成。在獨立的環境中，程序的載入必須由手工安排，也可能是通過可執行代碼置入只讀內存來完成。
       2.程序開始執行。接着便調用main函數。
       3.開始執行程序代碼。這個時候程序將使用一個運行時堆棧（stack），存儲函數的局部變量和返回地址。程序同時也可以使用靜態（static）內存，存儲於靜態內存中的變量在程序的整個執行過程⼀直保留他們的值。
       4.終止程序。正常終止main函數；也有可能是意外終止。

       如有錯誤，歡迎指出，一起交流學習！