C語言編譯
這一篇文章我們來聊一聊C語言的編譯過程，就是從 .c 檔案到 .exe 檔案的過程。
關於C語言的編譯過程，對很多人來說都感到特別苦澀，但是理解了這個過程對大家以後的能力上的提升是很有幫助的，在這裡我會努力用最淺顯有趣的語言來為大家解讀，還請大家認真仔細品讀，辛苦諸位嘍！
C語言的編譯過程分為下列四步：
- 預處理 --> .c檔案到 .i檔案的過程
- 編譯、優化 --> .i檔案到 .s檔案的過程
- 彙編 --> .s檔案到 .o檔案的過程
- 連結 --> .o檔案到 .exe可執行檔案的過程
首先我們先用一張圖來看一下這個流程
C語言的編譯過程大體就是上面這個樣子了，下面我們來慢慢分析這四個步驟吧！
1、預處理
讀取C源程式，對其中的偽指令（以#開頭的指令）和特殊符號進行處理
【注：偽指令主要包含下列四個方面】
①巨集定義指令（如#define NAME TokenString、#undef等）
對於前一個偽指令（#define NAME TokenString）預編譯所要做的是將程式中的所有NAME用TokenString替換，但作為字串常量的NAME則不被替換。對於第二個偽指令（#undef）則是將取消對某個巨集的定義，使以後該串的出現不會再被替換。
②條件編譯指令（如#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif等等）
這些偽指令的引入使得程式設計師可以通過定義不同的巨集來解決編譯程式對哪些程式碼進行處理，預編譯程式將根據有關的檔案，將那些不必要的程式碼過濾掉。
③標頭檔案包含指令（如#include <FileName> 或者 #include "FileName"等等）
在標頭檔案中一般用偽指令#define定義了大量的巨集(最常見的是字元常量)，同時包含有各種外部符號的宣告。採用標頭檔案的目的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，只需要加上#include 語句即可，可以不用再在此檔案中重新將這些定義重複一遍。預編譯程式將把標頭檔案中的定義統統加入到它所產生的輸出檔案，以供編譯程式對之進行處理。
標頭檔案可以是系統提供的，也可以是開發人員自己定義的。前者（系統提供的）標頭檔案一般儲存在/usr/include目錄下，#include它們要使用尖括號（<>）；開發人員定義的標頭檔案一般與C源程式位於同一目錄下，#include它們要使用雙引號（“”）。
④特殊符號，預編譯程式可以識別一些特殊的符號
例如在源程式中出現的LINE標識將被解釋為當前行號（十進位制數），FILE則被解釋為當前被編譯的C源程式的名稱。預編譯程式對於在源程式中出現的這些串將用合適的值進行替換。
總結：上面四個部分就是預編譯所做的工作了，簡單來說，預編譯就是對源程式進行“替換”工作，生成一個沒有巨集定義，沒有條件編譯指令，沒有特殊符號，將#include指向的檔案插入的輸出檔案。這個檔案的含義與未經過預處理的原始檔是相同的，但因為有些東西已經被“替換”，所以它們的內容是不一樣的。
2、編譯、優化階段
把高階語言翻譯成機器語言的過程
經過預編譯得到的輸出檔案中，將只有常量。如數字、字串、變數的定義以及C語言的關鍵字（main、do、while、+、-等等）。預編譯程式所要做的工作就是通過詞法分析、語法分析和語義分析，在確定所有的指令都符合語法規則之後，將其翻譯成等價的中間程式碼表示或者彙編程式碼。
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係。優化一部分是對中間程式碼的優化。這種優化不依賴於具體的計算機。另一種優化則主要針對目的碼的生成而進行的，在我給出的圖片中，將優化階段放在編譯程式的後面，其實是比較籠統的做法。
前一種優化，主要的工作是刪除公共表示式、迴圈優化（程式碼外提、強度削弱、變換迴圈控制條件等）、複寫傳播，以及無用賦值的刪除等等。
後一種優化，則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暫存器存放的有關變數的值，以減少對於記憶體的訪問次數。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的碼比較短，執行的效率比較高，也是一個很重要的研究話題。
經過優化得到的彙編程式碼必須經過彙編程式的彙編轉換成相應的機器指令，方可能被機器指令執行。
總計：編譯、優化階段主要分為①詞法分析②語法分析③語義分析④優化後生成相應的彙編程式碼，即從高階語言到組合語言的過程。
3、彙編階段
彙編過程實際上指把組合語言程式碼翻譯成目標機器指令的過程。對於被翻譯系統處理的每一個C語言程式，都將最終經過這一處理而得到相應的目標檔案（①）。目標檔案中所存放的也就是與源程式等效的目標的機器語言程式碼。
目標檔案由段組成。通常一個目標檔案中至少有兩個段（程式碼段和資料段）：
程式碼段：
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域性變數或靜態的資料。一般資料段都是可讀，可寫和可執行的。
①：UNIX下的目標檔案主要有三種（可重定向檔案、共享的目標檔案和可執行檔案）：
（1）可重定向檔案
其中包含有適用於其它目標檔案連結來建立一個可執行的或者共享的目標檔案的程式碼和資料。
（2）共享的目標檔案
這種檔案存放了適合於在兩種上下文裡連結的程式碼和資料。第一種是連結程式可以把它與其它可重定位檔案及共享的目標檔案一起處理來建立另一個目標檔案；第二種是動態連結程式將它與另一個可執行檔案及其它的共享目標檔案結合到一起，建立一個程序映像。
（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的檔案。
彙編程式生成的實際上是第一種型別的目標檔案。對於後兩種還需要其他的一些處理才能得到，這個就是連結程式的工作了。
總結：彙編階段就是將彙編程式碼轉換成機器碼的過程，即組合語言--->機器語言（二進位制）
4、連結階段
由彙編程式生成的目標檔案並不能立即被執行，其中可能還有許多沒有解決的問題。例如，某個原始檔中的函式可能引用了另一個原始檔中定義的某個符號（如變數或者函式呼叫）；在程式中可能呼叫了某個庫檔案中的函式等等。所有的這些問題都需要連結程式的處理方式來解決。
根據開發者指定的同庫函式的連結方式的不同，連結處理可分為兩種（靜態連結和動態連結）：
（1）靜態連結：
在這種連結方式下，函式的程式碼將從其所在的靜態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程式碼將被裝入到該程序的虛擬地址空間中。靜態連結庫實際上是一個目標檔案的集合，其中的每個檔案含有庫中的一個或者一組相關函式的程式碼。
（2）動態連結：
在動態連結下，函式的程式碼被放到稱作是動態連結庫或共享物件的某個檔案中。連結程式此時作為的只是在最終的可執行程式中記錄下共享物件的名字以及其他少量的登陸資訊。在此可執行檔案被執行時，動態連結庫的全部內容將被對映到執行時相應程序的虛地址空間。動態連結程式將根據可執行程式中記錄的資訊找到相應的函式程式碼。
對於可執行檔案中的函式呼叫，可以分別採用動態連結和靜態連結的方法。使用動態連結能夠使最終的可執行檔案比較短小，並且當共享物件被多個程序使用時能節約一些記憶體，因為在記憶體中只需要儲存一份此共享物件的程式碼。但並不是使用動態連結就一定比使用靜態連結要優越。在某些情況下動態連結可能帶來一些效能上的損害。
總結：連結程式就是將相關的目標檔案彼此相連線，也是將在一個檔案中引用的符號與另一個檔案中該符號的定義相連線，使得所有檔案成為一個整體。
經過上述的步驟之後，我們的C原始碼便被轉換成為一個可以執行的檔案了。
好，下面我就操作一遍，來幫助大家加深對C源程式編譯過程的理解！
（1）首先在建立一個.c檔案，這裡我新建了一個main.c檔案，並存放於桌面的test資料夾中，內容如下：
注：如果是初學者不要在意程式碼內容，比較整個編譯過程即可
只有一個main.c的檔案哦！
這個和圖片中的程式碼一樣，是專門為新手小夥伴提供的哦！
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define NAME "Hello"
int main()
{
printf("%s\n%s","Hello World!",NAME);
return 0;
}（2）進入DOS環境下，使用gcc的命令進行測試
①預處理階段，使用 gcc -E FileName
對比我提供的程式碼，是不是少了標頭檔案而且原來的“NAME”也被替換為“Hello”了！
②編譯階段，使用gcc -S FileName
執行完這條命令，我們發現test資料夾中多出來一個main.s的檔案。
③彙編過程，使用gcc -c FileName
執行完畢後，你又會發現多出一個main.o的檔案。
④連結過程，使用gcc FileName
到這裡，我們便有了一個.exe的可執行檔案了。
這一部分確實枯燥，不過理解了這些對大家的發展是很有好處的，請大家好好理解哦！