本文討論了C程序的完整編譯過程，分別講述了預處理、編譯、匯編、鏈接各階段完成的編譯任務。然后通過一個編譯實例，探討了各階段輸出的文件。

編譯和鏈接

前面了解C程序結構，也編寫了第一個C程序源代碼，但計算機并不能直接執行C程序源代碼。因為C語言是高級語言，計算機不能識別高級語言編寫的代碼，還需要把寫好的C程序源代碼轉換為計算機能識別的機器語言代碼，這個過程稱為C程序的編譯過程。編譯過程如圖1-7所示。

圖 1-7 C程序編譯過程

從圖1-7可以看出，C程序編譯過程分為四個階段：第一階段是預處理階段；第二階段是編譯階段；第三階段是匯編階段；第四階段是鏈接階段。執行這四個階段的程序（預處理器、編譯器、匯編器、和鏈接器）一起構成了C語言的編譯系統。

預處理階段：預處理階段主要用于處理源文件中的預處理指令，并根據指令對源代碼進行修改和補充。例如：“#include”指令將頭文件的內容補充到源文件內；“#define”指令用于宏定義，通過宏定義可以進行條件編譯和內容替換。

編譯階段：編譯階段主要用于對預處理后的文件進行詞法和語法分析，并將其翻譯成與源代碼等價的匯編代碼。

匯編階段：匯編階段將編譯輸出的匯編代碼轉換為機器代碼，機器代碼也稱為目標代碼，該代碼與計算機硬件相關。

鏈接階段：鏈接階段將多個目標代碼文件、函數庫文件鏈接成可執行文件。

**編譯實例 **

下面以《C程序結構》中的面積計算器程序為例，在Ubuntu系統下使用GCC編譯器，對面積計算器程序進行編譯和鏈接。

面積計算器程序可以計算長方形、正方形、平行四邊形和三角形的面積，它由main.c、rectangle.c、square.c、paraller.c、triangle.c、area.h五個源文件和一個頭文件構成，area.h頭文件描述了面積計算函數的原型。面積計算器程序結構如圖所示。程序代碼請參見《C程序結構》。

圖 1-8 面積計算器程序結構

預處理階段

預處理階段主要處理C程序源文件內的預處理指令，如#include指令、宏定義等。預處理階段會對所有的C源文件進行預處理，預處理后的文件也是文本文件，可以使用文本編輯器打開，不過其文件大小要比C源文件大的多，因為預處理后的文件會將#include指令引入的頭文件寫入到C源文件內。面積計算器的main.c文件使用了#include指令，主要代碼如下：

//引入C語言標準輸入輸出函數庫
//stdio.h是標準輸入輸出函數庫的頭文件
#include
//引入面積計算器函數頭文件
include "area.h"
void main()
{
……
}

GCC編譯器提供了如下命令對C源文件進行預處理：

gcc -E C源文件-o [預處理后文件]

例如：

gcc -E main.c -o main.i

對main.c文件進行預處理，預處理后的文件為main.i。執行上述預處理命令時，需要gcc能夠找到main.c文件。

main.c預處理后文件main.i要比main.c大很多，感興趣的同學可以實際操作后，用文本編輯器打開main.i文件，看看里面的內容。

面積計算器程序所有C源文件預處理后的文件列表，從列表中可以看出，除了main.c文件外，其它預處理后文件和C源文件大小變化不大，這是因為這些C源文件沒有包含頭文件。

編譯階段

編譯階段將預處理后文件轉換為匯編代碼，編譯后的匯編代碼也是文本文件，可以直接使用文本編輯器打開匯編代碼。

GCC編譯器提供了如下命令對預處理后文件進行編譯：

gcc -E 預處理后文件-o [匯編代碼]

例如：

gcc -S square.i -o square.s

對square.i文件進行編譯，編譯后的文件為square.s。執行上述預處理命令時，需要gcc能夠找到square.i文件。

編譯后匯編代碼如下圖所示:

匯編階段

匯編階段將匯編代碼轉換為機器代碼（機器可以直接執行的CPU指令），轉換程序也稱為匯編程序。由于不同CPU架構的計算機，其提供的指令集不同，支持運行的機器代碼也不同，因此，要運行在不同CPU架構的計算機上，就需要運行支持該CPU架構的匯編程序。例如IBM-PC機采用了Intel X86系列處理器，單片機一般采用ARM架構的系列處理器，如果要讓編寫的匯編程序運行在IBM-PC機上，就需要調用支持IBM-PC指令集的匯編程序，如果要讓編寫的匯編程序運行在ARM架構的計算機上，就需要調用支持ARM指令集的匯編程序。

匯編階段輸出的文件為目標文件，它是二進制格式，不能使用文本編輯器瀏覽文件內容。GCC編譯器提供了如下命令對C源文件進行預處理：

gcc -c 匯編代碼文件-o [目標文件]

例如：

gcc -c rectangle.s -o rectangle.o

對rectangle.s文件進行匯編，匯編后的文件為rectangle.o。執行上述預處理命令時，需要gcc能夠找到rectangle.s文件。

匯編階段執行后，面積計算器程序文件列表如下圖所示：

鏈接階段

面積計算器程序在匯編階段輸出了main.o、square.o、triangle.o、rectangle.o、paraller.o目標文件，在鏈接階段需要將這些目標文件鏈接為可執行文件。鏈接使用ld命令，ld是GCC提供的鏈接器，將目標文件與函數庫鏈接為可執行程序或庫文件。不過ld鏈接器一般不獨立使用，由GCC自動調用鏈接器。

輸入下面的命令：

gcc main.c paraller.c rectangle.c square.c triangle.c

即可完成面積計算器程序的編譯和鏈接。

本文小結

通過以上分析可知，C程序的編譯過程要經過預處理、編譯、匯編和鏈接四個階段。令人欣慰的是C程序編譯工具都提供了一次性編譯和鏈接命令，編譯器會自動執行這四個階段，不需要開發者的參與。