C++ 程序的编译过程

C++ 程序的编译过程一般可以分为以下几个主要阶段：

1. 预处理（Preprocessing）

作用：处理源代码文件中的预处理指令，例如 #include、#define、#ifdef 等。
具体操作：
- 展开头文件：将 #include 指令所指定的头文件内容插入到当前源文件中。例如 #include <iostream> 会将 iostream 头文件的内容插入到源文件中。
- 宏替换：将 #define 定义的宏进行替换。例如 #define PI 3.14159，在代码中出现 PI 的地方都会被替换为 3.14159。
- 条件编译：根据 #ifdef、#ifndef、#else、#endif 等指令的条件，决定哪些代码需要被编译。
示例代码及处理结果：
- 源文件 test.cpp：

#include <iostream>
#define NUM 10

int main() {
    std::cout << NUM << std::endl;
    return 0;
}

预处理后（假设）：

// iostream 头文件的内容...

int main() {
    std::cout << 10 << std::endl;
    return 0;
}

命令：在 Linux 或 macOS 系统中，可以使用 g++ -E test.cpp -o test.i 来进行预处理，生成的 test.i 文件就是预处理后的文件。

2. 编译（Compilation）

作用：将预处理后的代码翻译成汇编代码。
具体操作：
- 词法分析：将源代码分解为一个个的词法单元（token），例如标识符、关键字、运算符等。
- 语法分析：根据 C++ 的语法规则，将词法单元组成语法树，检查代码的语法是否正确。
- 语义分析：对语法树进行语义检查，例如类型检查、作用域检查等，确保代码在语义上是正确的。
- 代码生成：将语法树转换为汇编代码。
示例代码及处理结果：
- 预处理后的代码（部分）：

int main() {
    std::cout << 10 << std::endl;
    return 0;
}

编译后的汇编代码（部分，x86 架构下）：

main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    mov     esi, 10
    mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     esi, OFFSET FLAT:_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& (*)(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&))
    mov     eax, 0
    leave
    ret

命令：使用 g++ -S test.i -o test.s 可以将预处理后的文件 test.i 编译为汇编文件 test.s。

3. 汇编（Assembly）

作用：将汇编代码转换为目标机器代码（二进制代码）。
具体操作：
- 汇编器将汇编代码中的助记符（如 mov、add 等）转换为对应的机器指令。
- 生成目标文件（通常以 .o 或 .obj 为扩展名），目标文件包含了机器代码、符号表等信息。
示例代码及处理结果：
- 汇编代码（部分）：

main:
    push    rbp
    mov     rbp, rsp
    sub     rsp, 16
    mov     esi, 10
    mov     edi, OFFSET FLAT:_ZSt4cout
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(int)
    mov     esi, OFFSET FLAT:_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_
    mov     rdi, rax
    call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >::operator<<(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& (*)(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&))
    mov     eax, 0
    leave
    ret

汇编后的目标文件 test.o 是二进制文件，无法直接查看其内容，但可以使用 objdump -d test.o 来查看其反汇编信息。
命令：使用 g++ -c test.s -o test.o 可以将汇编文件 test.s 汇编为目标文件 test.o。

4. 链接（Linking）

作用：将多个目标文件和库文件链接在一起，生成可执行文件。
具体操作：
- 符号解析：查找目标文件和库文件中未定义的符号（如函数、变量等），并将其与定义的符号进行匹配。
- 重定位：调整目标文件中的地址，使其可以在内存中正确运行。
示例代码及处理结果：
- 假设有多个目标文件 test.o、func1.o、func2.o，以及库文件 libtest.a。
- 链接后生成可执行文件 test。
命令：使用 g++ test.o func1.o func2.o -L. -ltest -o test 可以将目标文件和库文件链接在一起，生成可执行文件 test。其中 -L. 表示在当前目录下查找库文件，-ltest 表示链接 libtest.a 库文件。