1. Introdução

Esse capítulo visa estabelecer conceitos importantes que envolvem a linguagem C, compiladores e programação no geral.

1.1. Características da Linguagem C

C é uma linguagem de programação compilada, isto é, ao escrevermos o código fonte na própria linguagem, no caso em C, um programa chamado compilador reescreve esse código para a linguagem de máquina. Sendo assim, o compilador tem como entrada um arquivo com código fonte da linguagem e que gera como saída um arquivo objeto, com código objeto, que é ligado a outros arquivos objeto para gerar um arquivo executável. O arquivo executável é um arquivo que pode ser executado no computador alvo. Na próxima seção, serão dados mais detalhes sobre o processo de compilação de um arquivo em C. Abaixo seguem algumas características importantes da linguagem C:

Estruturada: A programação estruturada (sucedida pela programação orientada a objeto) é um paradigma formado por três componentes:
Sequência: Uma tarefa é executada logo após a outra;
Decisão: A tarefa é executada logo após um teste lógico;
Iteração: A partir de um teste lógico, um trecho de código pode ser repetido finitas vezes.
Imperativa: Descreve ações/instruções que o programa deverá executar. Ou seja, linguagens imperativas são programadas com uma sequência de comandos ordenada pelo programador;
Procedural: Permite a construção de procedimentos que podem ser compartimentados e reutilizados, tornando partes do código mais independentes entre si;
Padronizada: Garante que um mesmo código gere sempre o mesmo resultado, seja ele compilado e executado ou interpretado;
Fortemente Tipada: Em C, os tipos das variáveis e funções precisam ser bem definidos durante toda a execução do programa. Com ponteiros do tipo void, é possível contornar essa restrição, mas isso não é aconselhável.

Abaixo segue uma tabela com os tipos de dados básicos da linguagem, onde a palavra-chave é usada para definir as variáveis e o formato indica a forma de capturar (por meio de funções como scanf) ou de imprimir (por exemplo, com printf):

Tabela de dados básicos de C

PALAVRA-CHAVE	TIPO	BYTES	INTERVALO	FORMATO
`char / signed char`	Caracter	1	-128 a 127	`%c`
`unsigned char`	Caracter sem sinal	1	0 a 255	`%c`
`short / short int / signed short / signed short int`	Inteiro curto com sinal	2	-32768 a 32767	`%hi ou %hd`
`unsigned short / unsigned short int`	Inteiro curto sem sinal	2	0 a 65535	`%hu`
`signed int / signed`	Inteiro com sinal	2	-32768 a 32767	`%i ou %d`
`unsigned / unsigned int`	Inteiro sem sinal	2	0 a 65535	`%u`
`long / long int / signed long / signed long int`	Inteiro com sinal	4	-2147483648 a 2147483647	`%li ou %ld`
`unsigned long / unsigned long int`	Inteiro sem sinal	4	0 a 4294967295	`%lu`
`long long / signed long long / long long int / signed long long int`	Inteiro muito lingo com sinal	8	−2^+63 a 2^+63 −1	`%lli ou %lld`
`unsigned long long / unsigned long long int`	Inteiro muito lingo sem sinal	8	0 a 2^+64 −1	`%llu`
`float`	Ponto flutuante simples	4	3.4 X 10^-38 a 3.4 X 10^+38	`%f ou %F`
`double`	Ponto flutuante em precisao dupla	8	1.7 X 10^-308 a 1.7 X 10^+308	`%lf ou %lF`
`long double`	Ponto flutuante em precisão estendida	16	3.4 X 10^-4932 a 3.4 X 10^+4932	`%Lf ou %LF`

Vale notar que esses tipos podem variar de máquina para máquina, sendo interessante imprimir os limites dos tipos presentes no cabeçalho limits.h. As padronizações (como ANSI e ISO) da linguagem também podem afetar certos tipos e, consequentemente, o funcionamento do código. Como C é muito popular, diversos compiladores foram construídos com características distintas. As próximas seções introduzirão o processo de compilação.

1.2. O Que É Um Compilador?

O compilador é um programa de computador responsável por reescrever o código fonte em código de máquina que poderá ser executado. Assim, ele recebe como entrada um arquivo com o código fonte e gera um arquivo executável.

Em outras palavras, o compilador traduz o código fonte de uma linguagem compreensível para os seres humanos para outra que o computador possa entender. Atualmente, o compilador possui muitas funcionalidades além da simples tradução: ele pode agrupar instruções de máquina em uma única linha de código, otimizar o código, gerar arquivos intermediários, tratar erros na programação e oferecer ferramentas de depuração. Os primeiros compiladores eram focados na tradução do código fonte e na junção das bibliotecas necessárias para a execução do código objeto, num processo chamado de ligação. Esses compiladores iniciais foram escritos em Assembly e, com o tempo, surgiram diversas ferramentas para a construção de compiladores, facilitando a criação de novas linguagens.

Com a evolução das linguagens e a necessidade de novas funcionalidades, os compiladores passaram a ter características variadas e métodos de funcionamento diferentes. A seguir, os principais tipos de compiladores:

Compilador Ahead-of-time: Compila o código fonte antes da execução do programa, gerando um arquivo objeto com instruções de máquina nativas.
Compilador Just-in-time: Compila o código durante a execução do programa. Na primeira execução, cada linha do código fonte é traduzida para instruções de máquina (ou para uma linguagem intermediária) e executada imediatamente; em execuções subsequentes, o código já compilado permite uma execução mais rápida.
Compilador Cruzado: Gera um arquivo executável a partir do código fonte que pode ser executado em outras máquinas, útil para sistemas embutidos ou ambientes com múltiplas arquiteturas.
Compilador Source-to-source: Tem como saída um código fonte de alto nível, em vez de instruções de máquina. Isso possibilita a criação de extensões sintáticas que são reescritas para o código alvo. Um exemplo é o TypeScript.

Existe também o interpretador, que traduz e executa o código fonte ou bytecode diretamente, sem gerar um arquivo objeto. Esse processo é geralmente mais lento, pois cada linha precisa ser interpretada em tempo real. Por fim, programas que convertem código Assembly para linguagem de máquina e vice-versa são chamados de montador (assembler) e desmontador (disassembler), respectivamente. A descompilação, que converte código de máquina para um código de alto nível, também é utilizada, especialmente em contextos de segurança.

1.3. GNU Compiler Collection

O GNU Compiler Collection (GCC) é uma coleção de compiladores Ahead-of-time do projeto GNU, criada em 1987. Ele oferece compiladores para linguagens como ADA, C++, Fortran, Java, Objective-C e Pascal, e possui compatibilidade com arquiteturas como ARM, x86 e AMD64 (x86-64). O GCC é o compilador padrão na maioria dos sistemas Linux, o principal compilador para o MAC OS e também pode ser utilizado no Windows por meio de ferramentas como MSYS2 e MinGW. Grande parte desses compiladores é escrita em C, inclusive o próprio compilador C, num processo chamado de bootstrapping. O foco aqui será o GNU C Compiler (GCC).

Pré-processamento: Realizado pelo pré-processador, que trata todas as linhas que começam com #. As diretivas principais nessa fase são #include (para inclusão de arquivos de cabeçalho com definições e declarações) e #define (para definição de macros e constantes). Outras diretivas, como #if...#else...#endif e #error, também são utilizadas para controle condicional e exibição de mensagens de erro.
Compilação: Nesta fase, o código é traduzido para assembly em vários níveis:
Análise léxica: Verifica se os símbolos (variáveis, funções e palavras reservadas) estão corretos, removendo espaços e comentários. Erros como variáveis não definidas ou operadores inexistentes são identificados aqui.
Análise sintática: Garante que as expressões seguem a gramática formal do C, verificando a organização correta dos símbolos.
Análise semântica: Valida o sentido lógico das expressões, checando a consistência dos tipos, regras de visibilidade e contexto.
Otimização de alto nível: Otimiza o código, eliminando redundâncias e trechos desnecessários.
Montagem: Converte cada linha de assembly em código de máquina.
Ligação: Na fase de ligação, as bibliotecas e todo o código necessário para a execução do programa são carregados e incorporados ao código objeto.

Vale ressaltar que muitas otimizações ficam desabilitadas por padrão e precisam ser ativadas por meio de flags. Após esta introdução aos conceitos básicos da linguagem C e do GCC, os próximos capítulos discutirão as formas de utilização deste compilador e as ferramentas que ele oferece.