2. C++的编译/链接模型

C++的编译/链接模型

简单的加工模型

问题：无法处理大型程序
- 加工耗时较长
- 即使少量修改，也需要重新加工
解决方案：分块处理

好处
- 编译消耗资源，但一次处理输入较少
- 链接程序较多，但处理速度较快
- 便于程序修改升级
由“分块处理”衍生出的概念
- 定义 / 声明
- 头文件 / 源文件
- 翻译单元
  - 源文件 + 相关头文件（直接 / 间接）- 应忽略的预处理语句
- 一处定义原则：
  - 程序级：一般函数
  - 翻译单元级：内联函数、类、模板

编译过程

预处理 --> 编译 --> 汇编 --> 链接

假如我们的源文件名为 hello.cpp
#include <iostream>

int main(void)
{
    std::cout << "Hello world!\n";
    return 0;
}
预处理，生成预处理文件 hello.i
g++ -E hello.c -o hello.i
编译，生成汇编文件 hello.s
g++ hello.i -S -o hello.s
汇编，生成目标文件 hello.o
g++ hello.s -c -o hello.o
链接，将多个目标文件进行链接，生成可执行文件 hello
g++ hello.o -s -o hello
然后执行可执行文件：
./hello
执行结果：
Hello world!

预处理
- 将源文件转换为翻译单元的过程
- 防止头文件被循环展开
  - #ifndef 解决方案
    
    举一个循环定义的例子，目录结构和源码如下：
```
.
├── header1.h
├── header2.h
└── main.cpp
```
    header1.h
```
#include "header2.h"

int fun();
```
    header2.h
```
#include "header1.h"

int fun2();
```
    main.cpp
```
#include "header1.h"

int main()
{
    
}
```
    我们进行编译：
```
g++ -Wall -g main.cpp -o main
```
    出错，如下：
```
In file included from header2.h:1,
                 from header1.h:1,
                 from header2.h:1,
                 from header1.h:1,
                 ......
header1.h:1:21: error: #include nested depth 200 exceeds maximum of 200 (use -fmax-include-depth=DEPTH to increase the maximum)
    1 | #include "header2.h"
      | 
```
    如果是智能的编译器，现在会提示“嵌套层数太多”这种提示：
    
    我们对上述代码添加如下语句：
    
    header1.h
```
#ifndef HEADER2
#define HEADER2
#include "header2.h"
int fun();
#endif
```
    header2.h
```
#ifndef HEADER2
#define HEADER2
#include "header1.h"
int fun2();
#endif
```
    然后再进行编译，就不会出问题了。但是如果使用了 clangd 来做提示，它仍旧会出现错误提醒，这时候编译是没有问题的，但我们最好不要这样写代码，在这里也只是举个例子。
    
    该解决方案的不足之处：
    - 会写多余的代码；
    - 由于宏取名（如HEADER2）是随意的，如果发生名称冲突，导致程序出错；
  - #pragma once 解决方案
    
    该方案更为优秀，原理为对展开进行计数，progma once 即为只允许展开一次，修改后的代码类似这样：
    
    header1.h
```
#pragma once

#include "header2.h"

int fun();
```
    这种处理方式比传统的 ifdef 处理方式更好。
编译
- 将翻译单元转换为相应的汇编语言表示
- 编译优化
  - https://godbolt.org/z/zh9aqx
  optimize.cpp
```
int main()
{
    int res = 0;
    for (int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        res += i;
    }
    return res;
}
```
  上面的这段代码，编译器在编译期间是可以进行优化的，优化等级从O0-O3，另外还有Os, Ofast 等，O0表示没有任何优化，O3表示最高等级优化：
```
g++ -S -O0 optimize.cpp -o optimize.s
```
  从简单的汇编代码行数中我们也能看出，编译优化后的汇编代码更短，执行效率更高。
  
  更多关于编译优化的资料：
  
  -O0 ：这个等级（字母“O”后面跟个零）关闭所有优化选项，也是 CFLAGS 或 CXXFLAGS 中没有设置-O等级时的默认等级。这样就不会优化代码，这通常不是我们想要的。
  
  -O1 ：这是最基本的优化等级。编译器会在不花费太多编译时间的同时试图生成更快更小的代码。这些优化是非常基础的，但一般这些任务肯定能顺利完成。
  
  -O2 ：-O1 的进阶。这是推荐的优化等级，除非你有特殊的需求。-O2 会比 -O1 启用多一些标记。设置了 -O2 后，编译器会试图提高代码性能而不会增大体积和大量占用的编译时间。
  
  -O3 ：这是最高最危险的优化等级。用这个选项会延长编译代码的时间，并且在使用gcc4.x的系统里不应全局启用。自从3.x版本以来gcc的行为已经有了极大地改变。在3.x，-O3生成的代码也只是比-O2快一点点而已，而gcc4.x中还未必更快。用-O3来编译所有的软件包将产生更大体积更耗内存的二进制文件，大大增加编译失败的机会或不可预知的程序行为（包括错误）。这样做将得不偿失，记住过犹不及。在gcc 4.x.中使用-O3是不推荐的。
  
  -Os ：这个等级用来优化代码尺寸。其中启用了-O2中不会增加磁盘空间占用的代码生成选项。这对于磁盘空间极其紧张或者CPU缓存较小的机器非常有用。但也可能产生些许问题，因此软件树中的大部分ebuild都过滤掉这个等级的优化。使用-Os是不推荐的。
  
  编译优化的缺点：可能导致单步调试出错，虽然执行速度加快了，但是不利于调试。
- 增量编译 VS 全量编译

链接

合并多个目标文件，关联声明与定义
连接（Linkage）种类：内部连接、外部连接、无连接
链接常见错误：找不到定义

link_err.cpp

#include <iostream>

extern int x;   // 使用外部定义的x

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

// g++ -Wall -g link_err.cpp define_x.cpp -o link_err

define_x.cpp

int x = 111;

编译上述代码：

g++ -Wall -g link_err.cpp define_x.cpp -o link_err

可以正常生成可执行文件link_err

但当我们编译的时候，遗忘了 define_x.cpp 的时候，就会出现如下错误：

g++ -Wall -g link_err.cpp -o link_err
/usr/bin/ld: /tmp/ccp6ekAb.o: warning: relocation against `x' in read-only section `.text'
/usr/bin/ld: /tmp/ccp6ekAb.o: in function `main':
/home/yuzu/deeping_into_cpp/ch1/link_err.cpp:7: undefined reference to `x'
/usr/bin/ld: warning: creating DT_TEXTREL in a PIE
collect2: error: ld returned 1 exit status

其中 /home/yuzu/deeping_into_cpp/ch1/link_err.cpp:7: undefined reference to x 说明了问题所在：指向了未定义的引用 x。

注意：

C++ 的编译 / 链接过程是复杂的，预处理、编译与链接都可能出错
编译可能产生警告、错误，都要重视

posted @ 2024-01-24 21:44 kobayashilin1 阅读(45) 评论(0) 编辑收藏举报

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