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正文开始

        当我们运行一段代码的时候，你是否好奇过：为什么这些文字就能够实现对应的逻辑功能呢？计算机只能看懂二进制指令，那它是怎么看懂我写的东西的呢？那今天我们来学习一下计算机是如何将咱们写的代码一步步进行处理的！

在ANSI C的任何一种实现中，存在两个不同的环境：

1. 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（二进制指令）
2. 执行环境：用于实际执行代码

1. 翻译环境

翻译环境由两大过程组成：

• 编译
• 链接

一个 C语言项目中可能由多个.c文件构成，项目从源文件到.exe可执行程序需要执行以下步骤：

1. 多个.c文件单独经过编译器，经编译处理后生成对应的目标文件
   - Windows 环境下的目标文件后缀为.obj，Linux 环境下目标文件的后缀是.o
2. 多个目标文件和链接库一起经过链接器处理生成最终的可执行程序
   - 链接库是指运行时库（它是支持程序运行的基本函数集合）或者第三方库

1.1 编译器

编译器主要干了三件事：

1. 预处理：主要处理源文件中的预编译指令
2. 编译：进行词法分析、语法分析、语义分析及优化
3. 汇编：将汇编代码转换为机器指令

其过程为：

1. 项目中的.c源文件和.h头文件经过预处理后产生后缀为.i的中间文件
2. 预处理后的中间文件经过编译后产生后缀为.s的编译后的中间文件
3. 编译后的中间文件经过汇编产生后缀为.obj的目标文件

下面我们来逐步学习

1.1.1 预处理

在预处理阶段，源文件和头文件会被处理为后缀为.i的文件，该阶段主要对其中以#开头的预编译指令，具体操作如下：

• 删除所有注释
• 将所有的宏定义展开并删除，例如：将#define A 10展开并删除
• 处理所有的条件编译指令，例如：#if、#ifdef、#elif、#else、#endif
• 处理#include预编译指令，将包含的头文件內容插入到该预编译指令的位置。这个过程是递归进行的，也就是说被包含的头文件也可能包含其他文件
• 添加行号和文件标识，方便后续编译器生成调试信息等
• 或保留所有的#pragma的编译器指令，编译器后续会使用。

1.1.2 编译

编译过程是将预处理后的中间文件进行一系列的操作，主要为：词法分析、语法分析、语义分析及优化，结果为生成相应的汇编代码文件。

1.1.2.1 词法分析

词法分析就类似于给代码的每一个字符都打上标签。
该阶段将源代码程序输入到扫描器，扫描器的任务就是简单的进行词法分析，把代码中的字符，分割成一系列的记号。

例如下列代码将会被识别为：

array[index] = (index + 4) * (2 + 6);

1.1.2.2 语法分析

进行完词法分析后，进入语法分析阶段；如果说词法分析是识别代码，那么语法分析就是按照识别出的信息表示其中的逻辑。
在语法分析阶段，语法分析器将会对扫描产生的记号进行语法分析，从而产生语法树。这些语法树是以表达式为节点的树。

例如上述代码的语法树如下：

1.1.2.3 语义分析

语法分析后由语义分析器来完成语义分析。
语义分析完成对表达式的语法层面分析。编译器所能够完成的分析是语义的静态分析，这通常包括声明和类型的匹配，类型的转换等等。
该阶段会报告错误的语法信息。

1.1.3 汇编

汇编器是将汇编代码转变成机器可执行的指令，即机器语言。每一个汇编语句几乎都对应一条机器指令。就是根据汇编指令和机器指令对照表一一进行翻译，不作指令优化。

1.2 链接

链接的主要过程包括：地址和空间分配，符号决议和重定位等等。链接解决的是一个项目中多文件、多模块之间互相调用的问题，把一堆文件链接在一起生成可执行程序

2. 运行环境

运行程序时过程为：

1. 程序载入内存中。这一步通常由操作系统完成，若在独立的环境中，程序的载入必须由手工安排，也可能通过可执行代码置入只读内存来完成。
2. 程序开始执行，接着调用 main 函数。
3. 开始执行程序代码。这时程序使用运行时堆栈（stack）来存储函数的局部变量和返回地址；也使用静态（static）内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程一直保留它们的值。
4. 终止程序。可能是正常终止 main 函数；也有可是意外终止。

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完