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什么是编译器?(程序是怎么跑起来的)

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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、cpp、Java、py、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。

什么是编译器

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;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 下常用的是微软编译器(cl.exr),它被集成在 Visual Studio 或 Visual C++ 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,让编译器生成可执行程序(例如 Windows 下的 .exe 程序)。

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。

什么是集成开发环境

实际开发中,除了编译器是必须的工具,我们往往还需要很多其他辅助软件,例如:

  • 编辑器:用来编写代码,并且给代码着色,以方便阅读;
  • 代码提示器:输入部分代码,即可提示全部代码,加速代码的编写过程;
  • 调试器:观察程序的每一个运行步骤,发现程序的逻辑错误;
  • 项目管理工具:对程序涉及到的所有资源进行管理,包括源文件、图片、视频、第三方库等;
  • 漂亮的界面:各种按钮、面板、菜单、窗口等控件整齐排布,操作更方便。


这些工具通常被打包在一起,统一发布和安装,例如 Visual Studio、Dev C++、Xcode、Visual C++ 6.0、C-Free、Code::Blocks 等,它们统称为集成开发环境(IDE,Integrated Development Environment)。

集成开发环境就是一系列开发工具的组合套装。这就好比台式机,一个台式机的核心部件是主机,有了主机就能独立工作了,但是我们在购买台式机时,往往还要附带上显示器、键盘、鼠标、U盘、摄像头等外围设备,因为只有主机太不方便了,必须有外设才能玩的爽。

集成开发环境也是这个道理,只有编译器不方便,所以还要增加其他的辅助工具。

1) 源文件(Source File)

在开发软件的过程中,我们需要将编写好的代码(Code)保存到一个文件中,这样代码才不会丢失,才能够被编译器找到,才能最终变成可执行文件。这种用来保存代码的文件就叫做源文件(Source File)。

每种编程语言的源文件都有特定的后缀,以方便被编译器识别,被程序员理解。源文件后缀大都根据编程语言本身的名字来命名,例如:

C语言源文件的后缀是.c;
C++语言(C Plus Plus)源文件的后缀是.cpp;
Java 源文件的后缀是.java;
Python 源文件的后缀是.py;
JavaScript 源文件后置是.js。

源文件其实就是纯文本文件,它的内部并没有特殊格式,能证明这一结论的典型例子是:在 Windows 下用记事本程序新建一个文本文档,并命名为demo.txt,输入一段C语言代码并保存,然后将该文件强制重命名为demo.c(后缀从.txt变成了.c),发现编译器依然能够正确识别其中的C语言代码,并顺利生成可执行文件。

源文件的后缀仅仅是为了表明该文件中保存的是某种语言的代码(例如.c文件中保存的是C语言代码),这样程序员更加容易区分,编译器也更加容易识别,它并不会导致该文件的内部格式发生改变。

C++ 是站在C语言的肩膀上发展期来的,是在C语言的基础上进行的扩展,C++ 包含了C语言的全部内容,将C语言代码放在.cpp文件中不会有错,很多初学者都是这么做的,很多大学老师也是这么教的。但是,我还是强烈建议将C语言代码放在.c文件中,这样能够更加严格地遵循C语言的语法,也能够更加清晰地了解C语言和C++的区别。

2) 工程/项目(Project)

一个真正的程序(也可以说软件)往往包含多项功能,每一项功能都需要几十行甚至几千行、几万行的代码来实现,如果我们将这些代码都放到一个源文件中,那将会让人崩溃,不但源文件打开速度极慢,代码的编写和维护也将变得非常困难。

在实际开发中,程序员都是将这些代码分门别类地放到多个源文件中。除了这些成千上万行的代码,一个程序往往还要包含图片、视频、音频、控件、库(也可以说框架)等其它资源,它们也都是一个一个地文件。

为了有效地管理这些种类繁杂、数目众多的文件,我们有理由把它们都放到一个目录(文件夹)下,并且这个目录下只存放与当前程序有关的资源。实际上 IDE 也是这么做的,它会为每一个程序都创建一个专门的目录,将用到的所有文件都集中到这个目录下,并对它们进行便捷的管理,比如重命名、删除文件、编辑文件等。

这个为当前程序配备的专用文件夹,在 IDE 中也有一个专门的称呼,叫做“Project”,翻译过来就是“工程”或者“项目”。在 VC 6.0 下,这叫做一个“工程”,而在 VS 下,这又叫做一个“项目”,它们只是单词“Project”的不同翻译而已,实际上是一个概念。

3) 工程类型/项目类型

“程序”是一个比较宽泛的称呼,它可以细分为很多种类,例如:

  • 有的程序不带界面,完全是“黑屏”的,只能输入一些字符或者命令,称为控制台程序(Console Application),例如 Windows 下的 cmd.exe,Linux 或 Mac OS 下的终端(Terminal)。
  • 有的程序带界面,看起来很漂亮,能够使用鼠标点击,称为GUI程序(Graphical User Interface Program),例如 QQ、迅雷、Chrome 等。
  • 有的程序不单独出现,而是作为其它程序的一个组成部分,普通用户很难接触到它们,例如静态库、动态库等。


不同的程序对应不同的工程类型(项目类型),使用 IDE 时必须选择正确的工程类型才能创建出我们想要的程序。换句话说,IDE 包含了多种工程类型,不同的工程类型会创建出不同的程序。

不同的工程类型本质上是对 IDE 中各个参数的不同设置;我们也可以创建一个空白的工程类型,然后自己去设置各种参数(不过一般不这样做)。

控制台程序对应的工程类型为“Win32控制台程序(Win32 Console Application)”,GUI程序对应的工程类型为“Win32程序(Win32 Application)”。

控制台程序是 DOS 时代的产物了,它没有复杂的功能,没有漂亮的界面,只能看到一些文字,虽然枯燥无趣,也不实用,但是它非常简单,不受界面的干扰,所以适合入门,我强烈建议初学者从控制台程序学起。等大家对编程掌握的比较熟练了,能编写上百行的代码了,再慢慢过渡到GUI程序。

4) 链接(Link)

上节我们讲到,源代码经过编译(Compile)后就变成了可执行文件,其实这种说法有点笼统,甚至从严格意义上来讲是错误的。源代码要经过编译(Compile)和链接(Link)两个过程才能变成可执行文件。

编译器一次只能编译一个源文件,如果当前程序包含了多个源文件,那么就需要编译多次。编译器每次编译的结果是产生一个中间文件(可以认为是一种临时文件),而不是最终的可执行文件。中间文件已经非常接近可执行文件了,它们都是二进制格式,内部结构也非常相似。

将当前程序的所有中间文件以及系统库(暂时可以理解为系统中的一些组件)组合在一起,才能形成最终的可执行文件,这个组合的过程就叫做链接(Link)。完成链接功能的软件叫做链接器(Linker)。

如果程序只包含了一个源文件,是不是就不需要链接了呢?不是的!

经过编译后程序虽然只有一个中间文件,不再需要和其它的中间文件组合了,但是这个唯一的中间文件还需要和系统库组合,这个过程也是链接。也就是说,不管有多少个源文件,都必须经过编译和链接两个过程才能生成可执行文件。


转载:https://blog.csdn.net/hebtu666/article/details/105980143
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