How does the compilation/linking process work?

编译/链接过程概述

编译和链接过程是将高级语言编写的源代码转换为计算机可以执行的二进制代码的过程。这个过程主要分为两大部分：编译和链接。

编译过程

编译过程可以进一步分解为几个步骤：

1. 预处理（Preprocessing）： 在这一步，编译器处理源代码文件中的预处理指令。比如，#include 指令用来导入头文件，#define 用来定义宏等。这一步处理完成后，会生成一个“预处理后的代码”，去除了所有的宏定义，包含了所有必要的头文件内容。

2. 编译（Compilation）： 将预处理后的代码转换成更低级的形式，称为汇编代码。这一步主要是将高级语言的结构和语句转换成机器理解的指令。不同的编译器可能会有不同的优化技术来提高代码的效率。

3. 汇编（Assembly）： 汇编器将汇编代码转换为机器代码，具体表现为二进制指令。汇编代码中的指令和机器代码基本是一一对应的，每条汇编指令基本上对应一条机器指令。

链接过程

编译后的代码（通常是一些对象文件）还不能直接执行，因为它们可能相互依赖，或者依赖于其他库文件。链接器的任务是将这些对象文件以及所需要的库文件组合成一个单一的可执行文件。

1. 解析（Resolution）： 链接器查找程序中所有外部引用（函数、变量等）的实际定义位置。如果引用了外部库中的函数，链接器还需要找到这些函数在库中的具体实现。

2. 地址和空间分配（Address and Space Allocation）： 链接器为程序的每个部分分配内存地址。包括为静态和全局变量分配空间，以及为代码段和数据段设置起始位置。

3. 重定位（Relocation）： 链接器调整代码和数据中的地址引用，确保它们指向正确的位置。

4. 最终二进制生成（Final Binary Generation）： 链接器生成最终的可执行文件。这个文件包含了执行程序所需的所有机器代码、数据和资源。

示例

假设你有两个C源文件：main.c 和 helper.c。main.c 调用了 helper.c 中定义的一个函数 help()。首先，每个源文件被单独编译成对象文件 main.o 和 helper.o。这些对象文件包含了源代码的机器代码，但是 main.o 中对 help() 函数的调用还没有具体的地址。

在链接阶段，链接器将 main.o 和 helper.o 以及可能的其他库文件合并，解析 help() 函数的地址，并修正 main.o 中对该函数的所有调用，使它们指向正确的地址。最终生成一个可执行文件，例如 app.exe，可以在操作系统上运行。

通过这种方式，编译和链接过程将高级语言写成的代码转换成计算机可以直接执行的二进制格式。