C++编程语言概述@知名C和C++编译器和调试器
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abstract
- C++ 是一种广泛使用的通用、静态类型、编译式的、多范式(multi-paradigm)编程语言,由丹麦计算机科学家 Bjarne Stroustrup 在20世纪80年代早期在贝尔实验室工作期间发展起来。
- 它是C语言的增强版,最初的设计目的是为了在C语言的基础上提供更好的模拟、类层次结构以及面向对象编程的支持。
C++语言的特点
-
兼容C语言:C++完全兼容C语言,意味着任何有效的C程序在C++环境下都能正确编译执行。
-
面向对象编程:C++引入了类(class)、继承(inheritance)、封装(encapsulation)和多态(polymorphism)等面向对象特性,允许程序员通过定义类来建立复杂的对象模型,并实现代码重用。
-
模板与泛型编程:C++支持模板(templates),这是一种机制,允许用户编写可应用于多种数据类型的函数和类,实现了泛型编程。
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STL(Standard Template Library):C++的标准库中包含STL,提供了丰富的容器(如vector、list、map等)、算法以及迭代器等组件,极大地提高了编程效率和代码质量。
-
内存管理:C++赋予程序员直接控制内存的能力,包括动态内存分配和释放,但也要求程序员负责内存管理的安全性。
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性能高效:由于其接近底层的性质,C++允许编写高性能、低级别的代码,适合系统级编程、游戏引擎开发、实时系统和高性能计算等领域。
-
异常处理:C++支持异常处理机制,帮助程序员更有效地处理程序运行时可能出现的问题。
-
运行时类型识别(RTTI):C++支持运行时类型信息,使得程序可以在运行时确定对象的确切类型。
应用领域:
C++ 适用于广泛的编程场景,包括但不限于操作系统开发、游戏开发、桌面应用程序、数据库引擎、中间件、嵌入式系统、实时系统、金融软件、高性能计算和科学计算等。
编程风格:
C++ 支持多种编程范式,除了面向对象编程外,还包括过程化编程和泛型编程。现代C++(C++11及以后版本)还引入了更多现代编程特性,如Lambda表达式、智能指针、RAII(Resource Acquisition Is Initialization)原则、范围基础for循环、右值引用等,进一步增强了语言的功能性和安全性。
学习路径:
- 学习C++通常会从基本语法、数据类型、控制结构、函数、数组和指针等基础知识开始,然后过渡到类与对象、继承与派生、运算符重载、模板和STL等内容的学习。
- 随着对语言特性的深入理解,学习者还将接触到更为复杂的概念和技术,如内存管理、多态性、设计模式、并发编程等。同时,实践编程项目和阅读开源项目的源码也是提高C++技能的重要途径。
C++的不同版本实现@C++编译器
实现C++语言的过程涉及到构建一个能够将C++源代码转换为机器码的编译器,这是一个非常复杂且工程量巨大的任务
编译器的组成结构通常可以划分为几个关键的逻辑阶段,这些阶段相互协作,共同将源代码转换为目标代码。
编译流程
以下是编译器主要的组成部分:
-
预处理器(Preprocessor):
- 预处理器是编译过程的第一步,它执行文本替换操作,主要包括宏展开、条件编译指令处理、文件包含等。例如,在C/C++中,
#include
指令会被预处理器处理,将头文件内容插入到源代码中。
- 预处理器是编译过程的第一步,它执行文本替换操作,主要包括宏展开、条件编译指令处理、文件包含等。例如,在C/C++中,
-
词法分析器(Lexer/Lexical Analyzer):
- 将源代码字符流分割成一个个有意义的符号单元,即词法单元或tokens,如标识符、关键字、运算符、数字、字符串字面量等。
-
语法分析器(Parser):
- 根据语言的语法规则,将词法单元序列转换成语法树(Abstract Syntax Tree, AST)或其他形式的内部表示结构。这一阶段确保源代码符合语言的句法规则。
-
语义分析器(Semantic Analyzer):
- 检查源代码的含义或语义是否正确,包括类型检查、作用域检查、声明与使用的匹配等。同时,它会填充和维护符号表(Symbol Table),记录变量、函数和其他实体的属性。
-
中间代码生成(Intermediate Code Generation):
- 生成一种与源语言和目标机均无关的中间表示形式(如Three Address Code, SSA形式等),这一步是为了后续优化和不同目标架构的代码生成提供便利。
-
优化器(Optimizer):
- 对中间代码进行各种优化,如常量折叠、循环优化、冗余消除等,以提高生成的目标代码的执行效率。
-
代码生成器(Code Generator):
- 把优化后的中间代码转换为目标机的机器语言,包括指令选择、寄存器分配、指令调度等步骤。
-
目标代码后端(Target Back-end):
- 根据目标机器的体系结构和指令集生成最终的可执行文件或目标代码。不同的目标架构会有不同的后端实现。
-
链接器(Linker):
- 虽然不是严格意义上的编译器组成部分,但在编译过程中不可或缺。链接器负责将编译器产生的目标文件与其他目标文件或库文件链接在一起,创建一个完整的可执行文件。
每个阶段之间可能还存在额外的阶段,比如在某些编译器中,可能存在控制流分析、数据流分析等更深入的分析和优化步骤。总之,编译器通过上述各阶段协同工作,将高级语言编写的源代码转换为能在特定计算机上运行的低级机器代码。
编译器前后端
- 编译阶段的划分是编译程序的逻辑组织。有时把编译的过程分为前端(frontend)和后端(backend),前端的工作主要依赖于源语言而与目标机无关。
- 前端通常包括词法分析、语法分析、语义分析和中间代码生成这些阶段,
- 某些优化工作可在前端做,还包括与前端每个阶段相关的出错处理工作和符号表管理工作。
- 后端指的是那些依赖于目标机而一般不依赖于源语言,只与中间代码有关的那些阶段的工作,即目标代码生成,以及相关出错处理和符号表操作。
划分前端和后端的意义
-
若按照这种组合方式实现编译程序,可以设想
- 某一编译程序的前端加上相应的后端则可以为不同的机器构成同一个源语言的编译程序。
- 也可以设想,不同语言编译的前端生成同一种中间语言,再使用一个共同的后端,则可为同一机器生成几个语言的编译程序。
-
可移植性:前端只需针对源语言编写,后端则可以为不同的目标架构复用相同的中间代码生成器和优化器。
-
模块化:允许独立开发和调试前端和后端,简化编译器的开发和维护。
-
灵活性:可以根据需要组合不同的前端和后端来支持新的编程语言或者目标平台。
- 例如,LLVM就采用了一种通用的中间表示(LLVM IR),它的前端可以支持多种编程语言,而后端则可以生成面向多种架构的高效机器代码。
- GCC也实现多种不同语言(但有一定关系)的编译
知名C++编译器
- 目前有几个知名的C++编译器实现,如GCC(GNU Compiler Collection)、Clang/LLVM(Low Level Virtual Machine)、Microsoft Visual C++ Compiler等,它们各自采用不同的策略和技术来实现对C++标准的全面支持。
不同编译器之间的差异
不同的C++编译器之间的差异主要体现在以下几个方面:
-
标准支持程度:
不同编译器对C++标准的支持程度可能存在差异,包括对C++旧标准(如C++98、C++11、C++14、C++17、C++20等)以及新标准特性的支持情况。一些编译器可能会率先支持最新的标准特性,而其他编译器可能稍晚才会跟进。 -
编译选项和优化级别:
各个编译器提供的编译选项不尽相同,并且对于相同的优化选项,不同编译器在实际优化效果上也会有所差异。有的编译器在某些特定场景下可能生成更快的代码,有的则可能在代码大小或能耗上有优势。 -
错误检测和警告:
编译器在错误检测和警告方面的严格程度和准确性也有所不同。一些编译器可能对潜在问题发出更多的警告,帮助开发者发现代码中的隐患;另一些编译器则可能在静态分析和诊断方面做得更为深入。 -
跨平台支持:
-
GCC作为开源编译器,在各种Unix/Linux变体以及多种嵌入式系统上有着广泛的跨平台支持。
-
而像Microsoft Visual C++ (MSVC) 主要针对Windows平台,但也提供了对跨平台编译(如通过C++/CLI和C++/CX支持.NET环境)的支持。
-
Clang/LLVM项目同样支持多个操作系统和架构。
-
-
ABI兼容性:
ABI(Application Binary Interface)决定了编译器如何实现函数调用约定、对象布局以及其他影响二进制兼容性的因素。不同编译器可能产生不兼容的ABI,这意味着由不同编译器编译的库和程序可能无法直接相互链接或动态加载。 -
集成开发环境(IDE):
一些编译器自带或紧密集成到特定IDE中,提供代码补全、调试、性能分析等功能,例如Visual Studio与MSVC的整合,或是Qt Creator与GCC和Clang的配合。 -
性能和编译速度:
不同编译器在编译速度上有差别,有些编译器在大型项目上可能编译速度快,有些则在小项目或增量编译上有优势。此外,生成的代码运行性能也是衡量编译器的重要指标,这通常取决于编译器的优化技术和具体的编译选项。
编译器的选择
- 开发者或学习者在选择编译器时需要考虑具体需求、目标平台、开发环境和团队习惯等因素。
- 同时,由于C++标准持续演进,及时更新编译器版本以获取最新的语言特性和安全改进也是十分重要的。
跨平台C++编译器👺
-
跨平台可能跨2个平台,也可能跨更多的平台(最理想是跨所有常用系统平台)
-
跨平台的C++编译器是指能在多种操作系统平台上运行并编译C++代码的工具。
-
GCC (GNU Compiler Collection):
- GCC, the GNU Compiler Collection - GNU Project
- GCC 支持广泛的平台,包括 Linux、macOS、BSDs、Solaris 以及其他 Unix-like 系统,同时也支持 Windows 平台(借助 MinGW 或 Cygwin 等环境)。
- 能够编译多种C语言家族的语言:The GNU Compiler Collection includes front ends for C, C++, Objective-C, Fortran, Ada, Go, and D, as well as libraries for these languages (libstdc++,…). GCC was originally written as the compiler for the GNU operating system.
- 特点:开源免费、历史悠久、广泛应用于开源软件项目,对C++标准支持稳定。
-
Clang/LLVM:
- Clang 是 LLVM 项目的一部分,也是一个跨平台的C++编译器,它提供了优秀的错误报告、静态分析能力和快速编译速度。
- 特点:开源免费、现代化的设计,与GCC兼容的同时提供了更好的可扩展性和模块化架构,被越来越多的开发者所采用。
- 然而该编译器对不同系统的支持程度不同,特别是windows用户需要谨慎考虑
-
GCC 套件下载安装
-
Linux/UnixInstalling GCC - GNU Project
- linux的各个发行版还可以选择用包管理工具安装
-
Windows下选择移植版GCC,比如msys2,MinGw,
-
上述软件们的官网下载速度慢,可以搜索用国内镜像来加速
linux下包管理器安装
在Linux上安装GCC编译器通常可以通过系统的包管理器进行,部分为资料指南,内容尚未实践
- 对于基于
apt
的系统(如Ubuntu、Debian及其衍生版):
sudo apt update sudo apt install build-essential
build-essential
是一个元包,它包含了GCC编译器(包括gcc
和g++
)、make
以及其他一些编译C/C++程序所需的必要工具。执行上述命令会自动安装GCC及相关依赖。
对于基于yum
的系统(如CentOS、RHEL及其衍生版):
sudo yum update sudo yum install gcc gcc-c++
如果你需要更完整的开发环境,可以考虑安装Development Tools
组:
sudo yum groupinstall 'Development Tools'
对于基于dnf
的系统(如Fedora、Oracle Linux):
sudo dnf update sudo dnf install gcc gcc-c++
或者安装Development Tools
组:
sudo dnf groupinstall 'Development Tools'
编译源代码安装
- 如果系统包管理器提供的GCC版本不符合需求,或者你需要安装一个非默认仓库中的特定版本
- 可能需要从源代码编译安装。这通常涉及以下步骤:(资料所示,尚未实践)
-
下载源代码:访问GCC官方网站或镜像站点,下载所需的GCC版本源代码包。
-
解压源代码:
tar xvzf gcc-X.Y.Z.tar.gz 其中
X.Y.Z
代表具体的GCC版本号。 -
安装依赖:
根据GCC的INSTALL
文档或README
文件的要求,安装编译GCC所需的依赖包,如gmp
,mpfr
,mpc
,isl
等。 -
配置编译选项:
进入解压后的源代码目录,执行configure
脚本,指定安装路径、编译选项等:./configure --prefix=/usr/local/gcc-X.Y.Z --enable-languages=c,c++,fortran,objc,obj-c++ --disable-multilib 可根据实际需求调整配置选项。
-
编译安装:
使用make
编译源代码,然后使用sudo make install
安装编译好的GCC到指定目录:make -j$(nproc) sudo make install -j$(nproc)
参数用于并行编译,充分利用多核处理器。 -
更新环境变量:
如果不是安装到默认路径(如/usr/bin
),可能需要更新环境变量(如PATH
)以包含新安装的GCC二进制文件路径。
安装完成后,可以通过运行gcc --version
命令来验证GCC是否已成功安装并查看其版本信息。
gcc@g++的比较
gcc
和 g++
都是 GNU Compiler Collection (GCC) 中的编译器,它们虽然有着密切的关联,但各自专注于编译特定类型的源代码。以下是 gcc
和 g++
的主要比较点:
1. 语言支持焦点:
- gcc:主要作为 C 语言编译器使用,专注于编译 C 语言源代码。虽然它也能处理 C++ 源文件,但在处理 C++ 特性时可能不如
g++
完备。 - g++:专为 C++ 设计,全面支持 C++ 语言的所有特性,包括类、模板、命名空间、异常处理、STL 等。尽管它也可以编译 C 语言源文件,但其主要目的是为 C++ 开发提供最佳支持。
2. 默认语言处理:
- gcc:当遇到
.c
后缀的文件时,默认将其视为 C 语言源码。对于其他后缀(如.cpp
或.cc
),如果没有明确指定语言类型,可能不会自动识别为 C++。 - g++:默认将
.c
文件当作 C++ 代码处理(尽管这可能导致一些问题,因为 C++ 对 C 代码的兼容性并非完美),并将.cpp
,.cc
,.cxx
,.C
等后缀的文件识别为 C++ 代码。
3. 库链接:
- gcc:编译 C 程序时,默认不链接 C++ 标准库(如
libstdc++
),除非明确指定-lstdc++
参数。对于仅使用 C 标准库的程序,这是恰当的。 - g++:编译 C++ 程序时,会自动链接 C++ 标准库,无需额外指定
-lstdc++
。这对于大多数 C++ 程序来说是必要的。
4. 预定义宏:
- gcc:在编译 C 代码时,预定义的宏集合与 C 标准一致,可能不包含那些与 C++ 特性相关的宏。
- g++:编译 C++ 代码时,除了 C 语言的预定义宏外,还会预定义一些与 C++ 特性相关的宏,如
_cplusplus
,这对于正确处理 C++ 代码中的条件编译至关重要。
5. 编译选项:
- gcc:尽管两者大部分编译选项是共通的,但
gcc
可能更适合处理与 C 语言相关的选项,比如与 C 语言标准版本相关的-std=gnu99
或-std=c11
。 - g++:针对 C++ 代码,
g++
提供了与 C++ 标准版本对应的选项,如-std=gnu++14
或-std=c++20
,以及其他与 C++ 特性相关的选项。
6. 静态类型检查:
- gcc:对于 C 代码,静态类型检查遵循 C 语言规则。
- g++:在编译 C++ 代码时,
g++
会执行更为复杂的静态类型检查,包括模板实例化、模板元编程、类型推导等 C++ 特有的类型检查。
7. 编译流程:
- gcc 和 g++:虽然有些资料提到两者在编译流程上有差异(如是否自动完成库文件链接),但实际上,二者在处理编译、汇编和链接过程上并无本质区别。
g++
在编译 C++ 时的行为更像是gcc
的一个特殊配置,确保了对 C++ 特性的支持和相关库的链接。
总结
尽管 gcc
和 g++
在功能上有很多重叠,但在实际使用中,通常建议遵循以下原则:
- 使用
gcc
专门编译 C 语言源代码。 - 使用
g++
专门编译 C++ 语言源代码,尤其是当程序涉及 C++ 特性或使用 C++ 标准库时。
这样做有助于避免潜在的语言识别问题、链接错误以及未预期的编译行为,确保代码按预期编译和运行。尽管在某些情况下可以互换使用,尤其是在编译纯 C 兼容的 C++ 代码时,但为了清晰性和一致性,最好遵循各自的专用领域。
Clang/LLVM👺
- Clang C Language Family Frontend for LLVM
- Clang - Getting Started (llvm.org)
- Clang 是一个现代的、高性能、易于使用的C、C++、Objective-C、Objective-C++编程语言的编译器前端,其目标不仅限于替代GCC(GNU Compiler Collection),而且要提供更快的编译速度、更好的诊断信息、更低的内存占用以及高度可扩展的设计。
- Clang 是LLVM(Low Level Virtual Machine)项目的一部分,它充分利用了LLVM的中间层IR(Intermediate Representation)和后端优化器,以及广泛的硬件支持。
主要特点:
-
兼容性:Clang 设计上力求与GCC兼容,因此它可以接受大部分GCC的编译选项,并能编译许多原本使用GCC编译的代码,尤其是对于那些遵循标准的代码。
-
快速编译:由于采用了更先进的算法和技术,Clang 提供了相对较快的编译速度,尤其在增量编译和编译大型项目时表现优秀。
-
优秀的错误和警告信息:Clang 以其详细、精确和易于理解的错误报告而闻名,这有助于开发者更快地定位和修复代码问题。
-
模块化设计:Clang 使用库的形式实现了编译器前端,这意味着它可以轻松地嵌入到其他工具和IDE中,比如Xcode、Eclipse CDT、Visual Studio Code以及其他定制的构建系统。
-
低内存占用:相比传统编译器,Clang 在内存使用方面更加节俭,能够在资源有限的环境中更好地工作。
-
AST(抽象语法树)基础:Clang 构建了一个完整详细的AST,使得它不仅可以用于编译,还可以用于静态分析、重构、自动补全等工具开发。
-
跨平台:Clang 支持多种操作系统,包括但不限于Windows、macOS、Linux和其他类Unix系统。
-
C++支持:Clang 具备对现代C++特性的良好支持,包括C++11、C++14、C++17及后续标准,支持lambda表达式、模板元编程、constexpr等新特性。
结构组成:
- Clang Driver:负责解析命令行参数并调度编译任务。
- Clang Frontend:包括词法分析、语法分析、语义分析等阶段,最终生成LLVM IR代码。
- LLVM Optimizer:对生成的IR进行各种优化,提高代码效率。
- LLVM Backend:将优化后的IR代码转化为特定平台的机器码。
C++调试器👺
- GNU Debugger (GDB):
- 类型: 开源、跨平台
- 简介: GDB是GNU项目的一部分,是一款强大且灵活的命令行调试器,适用于多种操作系统和架构。它支持C++的复杂特性,如类、模板、异常处理等。GDB可以设置断点、单步执行、检查变量和内存、改变程序状态、查看调用栈、动态加载代码等。它可通过命令行接口操作,也可以与各种图形前端(如Eclipse、Qt Creator等IDE的调试插件)配合使用。
- Visual Studio Debugger:
- 类型: 商业、Windows
- 简介: 对于Windows平台的C++开发,Visual Studio集成开发环境(IDE)自带了一个功能强大的图形化调试器。它提供了丰富的调试功能,如断点、条件断点、数据观察窗口、内存查看器、CPU使用情况视图、调用堆栈分析、图形化异常助手等。此外,Visual Studio Debugger还支持远程调试、多线程调试、GPU调试等高级特性。
- LLDB:
- 类型: 开源、跨平台
- 简介: LLDB是LLVM项目的一部分,是一个现代化的源代码级调试器。它被设计为高度可扩展且易于嵌入其他工具中,如Clang/LLVM编译器前端和IDEs(如Xcode)。LLDB支持C++的所有现代特性,提供交互式命令行界面和脚本接口(Python)。其功能与GDB类似,但具有更好的性能和更友好的输出格式。
还有一些其他的调试器软件,通常是对GDB,LLDB的包装,例如包装成IDE内的一个调试组件,比如CLion,Cold::Blocks
综上所述,C++语言的调试器既有通用的跨平台工具(如GDB、LLDB),也有集成在各类IDE中的调试器(如Visual Studio Debugger、Eclipse CDT Debugger、CLion Debugger等),以及针对特定场景的远程调试解决方案。
非跨平台的C++编译器
-
非跨平台的C++编译器是指那些仅针对特定操作系统或硬件架构设计的编译器,不能在所有操作系统或处理器架构上运行或编译代码。
- Microsoft Visual C++ (MSVC):
- 主要针对Windows操作系统,尽管现代版本通过引入Clang/LLVM工具链的子集扩展了跨平台支持,但其核心仍然最擅长在Windows环境中开发和编译原生Windows应用。
- Microsoft Visual C++ (MSVC):
-
其他
- Intel C++ Compiler (ICC):
- Intel C++ Compiler是一款专为提升Intel架构处理器性能而优化的编译器,支持Windows和Linux平台,但它并不是跨所有平台,而是聚焦在Intel处理器上获得最佳性能。
- Intel C++ Compiler (ICC):
现代操作系统预装C/C++编译器情况
- GCC通常被默认预装到Linux系统,而Clang被默认预装到MacOS
- 至于Windows,没有预装的C++编译器,需要手动安装独家MSVC或者跨平台的GCC或Clang
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