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C语言编译和链接详解(通俗易懂,深入本质)

我们平时所说的程序,是指双击后就可以直接运行的程序,这样的程序被称为可执行程序(Executable Program)。在 Windows 下,可执行程序的后缀有.exe.com(其中.exe比较常见);在类 UNIX 系统(Linux、Mac OS 等)下,可执行程序没有特定的后缀,系统根据文件的头部信息来判断是否是可执行程序。

可执行程序的内部是一系列计算机指令和数据的集合,它们都是二进制形式的,CPU 可以直接识别,毫无障碍;但是对于程序员,它们非常晦涩,难以记忆和使用。

例如,在屏幕上输出“VIP会员”,C语言的写法为:

puts("VIP会员");

二进制的写法为:

你感受一下,直接使用二进制是不是想撞墙,是不是受到一吨重的伤害?
在计算机发展的初期,程序员就是使用这样的二进制指令来编写程序的,那个拓荒的年代还没有编程语言。
直接使用二进制指令编程对程序员来说简直是噩梦,尤其是当程序比较大的时候,不但编写麻烦,需要频繁查询指令手册,而且除错会异常苦恼,要直接面对一堆二进制数据,让人眼花缭乱。另外,用二进制指令编程步骤繁琐,要考虑各种边界情况和底层问题,开发效率十分低下。

这就倒逼程序员开发出了编程语言,提高自己的生产力,例如汇编、C语言、C++JavaPythonGo语言等,都是在逐步提高开发效率。至此,编程终于不再是只有极客能做的事情了,不了解计算机的读者经过一定的训练也可以编写出有模有样的程序。

编译(Compile)

C语言代码由固定的词汇按照固定的格式组织起来,简单直观,程序员容易识别和理解,但是对于CPU,C语言代码就是天书,根本不认识,CPU只认识几百个二进制形式的指令。这就需要一个工具,将C语言代码转换成CPU能够识别的二进制指令,也就是将代码加工成 .exe 程序的格式;这个工具是一个特殊的软件,叫做编译器(Compiler)

编译器能够识别代码中的词汇、句子以及各种特定的格式,并将他们转换成计算机能够识别的二进制形式,这个过程称为编译(Compile)

编译也可以理解为“翻译”,类似于将中文翻译成英文、将英文翻译成象形文字,它是一个复杂的过程,大致包括词法分析、语法分析、语义分析、性能优化、生成可执行文件五个步骤,期间涉及到复杂的算法和硬件架构。对于学计算机或者软件的大学生,“编译原理”是一门专业课程,有兴趣的读者请自行阅读《编译原理》一书,这里我们不再展开讲解。
注意:不了解编译原理并不影响我们学习C语言,我也不建议初学者去钻研编译原理,贪多嚼不烂,不要把自己绕进去。
C语言的编译器有很多种,不同的平台下有不同的编译器,例如:
  • Windows 下常用的是微软开发的 Visual C++,它被集成在 Visual Studio 中,一般不单独使用;
  • Linux 下常用的是 GUN 组织开发的 GCC,很多 Linux 发行版都自带 GCC;
  • Mac 下常用的是 LLVM/Clang,它被集成在 Xcode 中(Xcode 以前集成的是 GCC,后来由于 GCC 的不配合才改为 LLVM/Clang,LLVM/Clang 的性能比 GCC 更加强大)。

你的代码语法正确与否,编译器说了才算,我们学习C语言,从某种意义上说就是学习如何使用编译器。

编译器可以 100% 保证你的代码从语法上讲是正确的,因为哪怕有一点小小的错误,编译也不能通过,编译器会告诉你哪里错了,便于你的更改。

链接(Link)

C语言代码经过编译以后,并没有生成最终的可执行文件(.exe 文件),而是生成了一种叫做目标文件(Object File)的中间文件(或者说临时文件)。目标文件也是二进制形式的,它和可执行文件的格式是一样的。对于 Visual C++,目标文件的后缀是.obj;对于 GCC,目标文件的后缀是.o

目标文件经过链接(Link)以后才能变成可执行文件。既然目标文件和可执行文件的格式是一样的,为什么还要再链接一次呢,直接作为可执行文件不行吗?

不行的!因为编译只是将我们自己写的代码变成了二进制形式,它还需要和系统组件(比如标准库、动态链接库等)结合起来,这些组件都是程序运行所必须的。

链接(Link)其实就是一个“打包”的过程,它将所有二进制形式的目标文件和系统组件组合成一个可执行文件。完成链接的过程也需要一个特殊的软件,叫做链接器(Linker)

随着我们学习的深入,我们编写的代码越来越多,最终需要将它们分散到多个源文件中,编译器每次只能编译一个源文件,生成一个目标文件,这个时候,链接器除了将目标文件和系统组件组合起来,还需要将编译器生成的多个目标文件组合起来。

再次强调,编译是针对一个源文件的,有多少个源文件就需要编译多少次,就会生成多少个目标文件。

总结

不管我们编写的代码有多么简单,都必须经过「编译 --> 链接」的过程才能生成可执行文件:
  • 编译就是将我们编写的源代码“翻译”成计算机可以识别的二进制格式,它们以目标文件的形式存在;
  • 链接就是一个“打包”的过程,它将所有的目标文件以及系统组件组合成一个可执行文件。

如果不是特别强调,一般情况下我们所说的“编译器”实际上也包括了链接器,比如,你使用了哪种编译器?去哪里下载C语言编译器?我的编译器为什么报错了呢?

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