C语言编译和链接详解（通俗易懂，深入本质）

Posted 2020-12-02 hgnet

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和.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++、Java、Python、Go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？