很多嵌入式初學者，不明白一個簡單的C語言程序，是如何通過一步步編譯、運行變成一個可運行的可執行文件的，程序到底是如何運行的？運行的過程中需要什麼環境支持？
今天就跟大家一起捋一捋這個流程，搞清程序編譯、鏈接、加載、運行的整個脈絡，以及在運行過程中的內存佈局、堆棧變化。
1. 程序的編譯、鏈接過程
就以hello.c爲例：從一個C語言源文件，到生成最後的可執行文件，基本流程如下;
- C 源文件： 編寫一個簡單的helloworld程序
- 預處理：生成預處理後的C源文件 hello.i
- 編譯：將C源文件翻譯成彙編文件 hello.s
- 彙編：將彙編文件彙編成目標文件 hello.o
- 鏈接：將目標文件鏈接成可執行文件
爲了加深對這個過程的理解，我們可以在Linux環境下面，通過gcc命令精確控制每一個編譯、鏈接過程
$ gcc -E hello.c > hello.i //會生成預處理後的C源文件hello.i
$ gcc -S hello.i //將hello.i編譯成彙編文件hello.s
$ gcc -c hello.s //將彙編文件hello.s彙編成hello.o
$ gcc hello.o -o hello //將目標文件鏈接成可執行文件hello
$ ./hello // 運行可執行文件hello
2. 程序的執行過程
當我們在shell交互環境下敲擊 $ ./hello，這個hello程序到底是怎麼運行的呢？
很簡單。shell會首先通過系統調用fork創建一個子進程，然後從磁盤上將可執行文件hello的代碼段、數據段加載(map)到這個子進程的地址空間內，接下來，在操作系統調度器的調度下，各個進程輪流佔用CPU，就可以直接執行了。
在操作系統層面，對於每一個進程，在內核中都會有一個task_struct的結構體來描述它，裏面存儲進程的各種信息，各個結構體構成一個鏈表，操作系統通過調度器來輪流執行每個進程，如上圖所示。
3. 進程的虛擬空間和物理空間
每個進程使用的都是虛擬地址，地址空間0~4G，都是相同的。但是CPU在實際執行過程中，對於每個進程相同的虛擬地址，會映射到物理內存中的不同位置。每個進程都有自己的進程頁表，在這個頁表裏有該進程虛擬地址和物理地址的對應關係。
CPU內部有一個叫MMU的硬件部件會根據這個映射關係，直接將虛擬地址轉換成物理地址，如下圖所示。
使用虛擬地址的好處之一就是：爲每個進程提供一個獨立的、私有的物理地址空間，保護每個進程的空間不會被其它進程破壞。同時通過MMU對內存讀寫權限進行管理、保障系統的安全運行。如下圖所示，每個進程在我們的物理內存(DDR)上，都有各自獨立的內存空間：一個進程崩潰了，一般情況下，不會影響到系統，不會影響到其它進程的運行。
4. 進程棧
棧是C語言運行的基礎。沒有棧，C語言函數是無法運行的：這是因爲函數調用過程中的返回地址、參數傳遞、函數內的局部變量都是在棧中存儲的，沒有棧，C語言函數就無法運行。
Linux進程中的代碼也是由一個個函數組成的，所以在運行進程之前，我們要首先初始化棧，如下圖所示：
在程序運行過程中，通過棧指針，我們就可以將函數內的局部變量、返回地址保存在棧中。隨着函數不斷地調用、函數退出，而不斷地入棧、出棧。
棧是一種數據結構，CPU的寄存器一般來講，在設計的時候，會自動入棧出棧、自動增減棧的地址。比如ARM中的入棧出棧操作，當我們使用push/pop入棧出棧的時候，CPU的寄存器SP，即棧指針會自動增減地址，一直指向棧頂，這些都是指令集的實現，即CPU內部硬件電路的實現。關於棧的進一步解釋，可以看看我以前的回答：
5. 用戶棧、內核棧、中斷棧
在Linux環境下，進程一般分爲兩種模式，用戶態和內核態。甭管是什麼態，只要你是C語言，運行C代碼就必須指定棧，否則C代碼就無法運行。所以棧又分爲用戶棧和內核棧。
用戶棧的虛擬地址空間在用戶空間，內核棧的地址在內核空間。它們都是虛擬地址，最後通過MMU映射到物理內存的不同區域。
有時候，你還會看到中斷棧的字眼，千萬別被它嚇到。中斷程序、中斷函數也是C語言，也是妖他媽生的，想運行中斷處理程序也必須需要棧的支持，一般這種棧叫做中斷棧。它可以使一個獨立的中斷棧，也可以佔用進程棧的空間，跟進程棧共享。
6. 小結
以上只是簡單介紹一下一個C語言從編譯、鏈接、運行、到進程創建、內存堆棧的大致流程。實際過程比這個更復雜一些、更深一些，限於篇幅的關係，很多細節無法一一細講。
以上文字和圖片，是根據《C語言嵌入式Linux高級編程》視頻教程改編而成。
