C语言是如何在硬件上运行的?

作者 : 慕源网 本文共1840个字,预计阅读时间需要5分钟 发布时间: 2021-09-21 共390人阅读

C语言的编译链接过程要把我们编写的一个C程序源代码转换成可以在硬件上运行的程序(可执行代码),需要进行编译和链接。编译就是把文本形式源代码翻译为机器语言形式的目标文件的过程。链接是把目标文件、操作系统的启动代码和用到的库文件进行组织形成最终生成可执行代码的过程。

 

从下图可以看到,整个代码的编译过程分为编译和链接两个过程,编译对应图中的大括号括起的部分,其余则为链接过程。

  编译过程又可以分成两个阶段:编译和汇编。

 

编译

 

编译是读取源程序(字符流),对之进行词法和语法的分析,将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码,源文件的编译过程包含两个主要阶段:

 

预处理阶段

 

第一个阶段是预处理阶段,在正式的编译阶段之前进行。预处理阶段将根据已放置在文件中的预处理指令来修改源文件的内容。如#include指令就是一个预处理指令,它把头文件的内容添加到.cpp文件中。这个在编译之前修改源文件的方式提供了很大的灵活性,以适应不同的计算机和操作系统环境的限制。

 

一个环境需要的代码跟另一个环境所需的代码可能有所不同,因为可用的硬件或操作系统是不同的。在许多情况下,可以把用于不同环境的代码放在同一个文件中,再在预处理阶段修改代码,使之适应当前的环境。

  主要是以下几方面的处理:

 

1.宏定义指令

 

如 #define a  b

 

对于这种伪指令,预编译所要做的是将程序中的所有a用b替换,但作为字符串常量的 a则不被替换。还有 #undef,则将取消对某个宏的定义,使以后该串的出现不再被替换。

 

2.条件编译指令

 

如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif等

 

这些伪指令的引入使得程序员可以通过定义不同的宏来决定编译程序对哪些代码进行处理。预编译程序将根据有关的文件,将那些不必要的代码过滤掉。

 

3.头文件包含指令

 

如#include “FileName”或者#include等

 

在头文件中一般用伪指令#define定义了大量的宏(最常见的是字符常量),同时包含有各种外部符号的声明。采用头文件的目的主要是为了使某些定义可以供多个不同的C源程序使用。因为在需要用到这些定义的C源程序中,只需加上一条#include语句即可,而不必再在此文件中将这些定义重复一遍。

 

预编译程序将把头文件中的定义统统都加入到它所产生的输出文件中,以供编译程序对之进行处理。包含到c源程序中的头文件可以是系统提供的,这些头文件一般被放在 /usr/include目录下。

 

在程序中#include它们要使用尖括号(< >)。另外开发人员也可以定义自己的头文件,这些文件一般与c源程序放在同一目录下,此时在#include中要用双引号(””)。

 

4.特殊符号

 

预编译程序可以识别一些特殊的符号

 

例如在源程序中出现的LINE标识将被解释为当前行号(十进制数),FILE则被解释为当前被编译的C源程序的名称。预编译程序对于在源程序中出现的这些串将用合适的值进行替换。

 

预编译程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代,生成一个没有宏定义、没有条件编译指令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没有经过预处理的源文件是相同的,但内容有所不同。下一步,此输出文件将作为编译程序的输出而被翻译成为机器指令。

 

编译优化阶段

 

第二个阶段编译、优化阶段,经过预编译得到的输出文件中,只有常量;如数字、字符串、变量的定义,以及c语言的关键字,如main,if,else,for,while,{,}, +,-,*,\等等。

 

编译程序所要作得工作就是通过词法分析和语法分析,在确认所有的指令都符合语法规则之后,将其翻译成等价的中间代码表示或汇编代码。

 

优化处理是编译系统中一项比较艰深的技术。它涉及到的问题不仅同编译技术本身有关,而且同机器的硬件环境也有很大的关系。优化一部分是对中间代码的优化。这种优化不依赖于具体的计算机。另一种优化则主要针对目标代码的生成而进行的。

 

对于前一种优化,主要的工作是删除公共表达式、循环优化(代码外提、强度削弱、变换循环控制条件、已知量的合并等)、复写传播,以及无用赋值的删除,等等。

 

后一种类型的优化同机器的硬件结构密切相关,最主要的是考虑是如何充分利用机器的各个硬件寄存器存放的有关变量的值,以减少对于内存的访问次数。另外,如何根据机器硬件执行指令的特点(如流水线、RISC、CISC、VLIW等)而对指令进行一些调整使目标代码比较短,执行的效率比较高,也是一个重要的研究课题

 


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