【C++随记】浅谈编译与链接

标签：main 函数 int C++ 编译 cpp mul 随记 浅谈

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本文讨论的内容来自于仕琪老师的课程：C/C++从基础语法到优化策略

课程地址：[C++](快速学习C和C++，基础语法和优化策略，学了不再怕指针(南科大计算机系原版)_哔哩哔哩_bilibili)

经典案例

首先我们引入一个体现C++11特性的经典案例，hello.cpp：

// C++ example in C++11
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    vector<string> msg {"Hello", "C++", "World", "!"};
    for (const string& word: msg) {
        cout << word << " ";
    }
    cout << endl; 
    return 0;
}

编译与运行代码

我们若要对上面的文件进行编译，编译的指令如下：

g++ hello.cpp

这条命令可以把源文件进行编译并生成一个可执行文件，整个过程可以概述为 编译+链接

若我们只需要编译，无需链接，则需要使用参数 -c 指定我们的需求

但是由于 hello.cpp 文件中，对 msg 初始化时采用了新标准：C++11标准，然而g++默认的标准要低于C++11标准的，所以编译可能会报错

所以我们需要指定参数，来告诉编译器应该采用哪个标准，命令修改为：

g++ hello.cpp --std=c++11

这样就可以按照特定的C++标准来编译源代码了

我们编译后，会生成一个可执行文件，默认的可执行文件的文件名是a.out，若想更换为自己指定的文件名，则需要使用 -o 参数

使用-o来自定义输出文件的文件名：

g++ hello.cpp --std=c++11 -o hello

我们完成编译后，就可以执行这个代码了，执行指令为：

./hello

实例：

PS D:\Code> g++ hello.cpp --std=c++11 -o apple
PS D:\Code> ls


    目录: D:\Code


Mode                 LastWriteTime         Length Name
----                 -------------         ------ ----
-a----         2022/5/21     21:03          88726 a.exe
-a----         2022/5/21     21:19          88726 apple.exe
-a----         2022/5/21     21:02            292 hello.cpp
-a----         2022/5/21     21:17          88726 hello.exe


PS D:\Code> ./apple
Hello C++ World !

有一点需要注意，与其他语言不同，C++在编写一次后，需要在各种不同的平台上去重新编译后才能运行。

C++的优点：

1. 优化已经比较完善的编译器
2. 可直接访问内存
3. 许多AI框架的底层实现依赖于C++
4. 卓越的性能

编译与链接

案例：

#include <iostream>
using namespace std;

int mul(int a, int b) {
    return a * b;
}

int main() {
    int a, b;
    int result;

    cout << "Pick two integers:";
    cin >> a;
    cin >> b;

    result = mul(a, b);

    cout << "The result is " << result <, endl;

    return 0;
}

上面的例子中，有两个函数，分别是 main函数 与 mul函数

其中，main() : 由启动代码调用

mul() ：被main函数调用

此处，mul称为被调函数，而main称为调用函数

函数原型（函数声明）

函数原型也就是函数的声明，通常放在头文件（*.h、*.hpp）中

int mul(int a, int b);

函数原型在参数列表后要跟分号

函数定义

函数的具体实现，也就是函数的定义，一般放在源文件（*.c、*.cpp）中

int mul(int a, int b) {
    return a * b;
}

参数列表之后不跟分号，而是花括号，花括号内是函数体

建议将所有的源代码放到不同的文件中，分门别类去管理

我们将刚刚的代码改为如下三个文件：

• main.cpp
• mul.hpp
• mul.cpp

main.cpp:

#include <iostream>
#include "mul.hpp"

using namespace std;

int main() {
    int a, b;
    int result;

    cout << "Pick two integers:";
    cin >> a;
    cin >> b;

    result = mul(a, b);

    cout << "The result is " << result << endl;

    return 0;
}

mul.hpp：

#pragma once

int mul(int a, int b);

mul.cpp：

#include "mul.hpp"

int mul(int a, int b) {
    return a *  b;
}

在我们的头文件mul.hpp中，只存放函数声明也就是函数原型。

在main.cpp中的include "mul.hpp"的作用就是将 mul.hpp 这个头文件里面的代码嵌入到main.cpp 中。

在我们编译的过程中（注意仅是编译并非链接），当 main.cpp 中的主函数第一次遇到 mul函数时，如果有了这个声明，编译器就会知道其是一个函数，就会检查参数列表中的 a 与 b ，看看其数据类型和参数的个数是否符合这个函数的声明（此时不会去找这个函数的具体实现，因为具体实现存放在另外一个源文件中，只有编译那个源文件时才能检查这个函数的具体实现是否有错误），若符合函数原型就代表这行函数调用没有错误。

此处的 mul 函数在编译时，是不会去探究它的具体实现是否有误的，编译器只是知道其是一个函数，在链接时，会去其他Object文件中寻找对应的具体实现，若发现那个实现也通过了编译（都已经是Object文件了，肯定通过编译了），则会将两者链接到一起。

所以，若要将这个三个文件进行编译，编译的过程如下：

编译多个文件

之前已经讲述过了，选项 -c 的意思是，表示只编译不链接

g++ -c main.cpp
g++ -c mul.cpp

我们 编译+链接 得到的是可执行文件，若只编译，会得到一个 Object文件

main.cpp 通过 g++ 将其编译成 main.o，此文件的扩展名为o，称为 Object文件，是一个二进制文件。

对mul.cpp也是同样的操作，将其也编译成Object文件

将得到的两个object文件进行链接

从Object文件生成可执行程序的步骤叫做链接（Link），也就是将这两个二进制文件合并起来，合并的过程叫做link

g++ main.o mul.o -o mul

mul是输出得到的可执行文件名，由参数-o指定

上面的三行语句可以整合为一条执行语句：

g++ main.cpp mul.cpp -o mul

这样可以把所有的源文件一次性全部编译并且完成链接。

为什么要分开编译

当源文件特别多的时候，比如有100个源文件时，因为在编程的过程中我们需要经常编译，看看程序的运行是否出错或者未达到我们的理想情况。若每次都将100个源文件全部都编译一遍的话，那会花费较长的时间。若你分别放在不同的源文件中，而且需要编译哪个源文件就单独编译哪个源文件，此时只需要更新一个Object文件，其他 Object文件 无需更新，这样就能节省时间。

虽然这种靠命令的方式去编译链接是一个程序员需要掌握的知识，若若全部手动操作这些命令，会比较花费时间

其实不需要每次都手动输入这些命令，可以使用Makefile

Debug

错误类型：

• 编译错误：一般由语法错误造成
• 链接错误：只要源文件没有任何语法错误，编译一般是不会报错的，但是链接时就不一定了

需要注意的是，若mul.cpp文件中实现的函数名为Mul，而mul.hpp中声明的是mul函数，main.cpp的主函数中调用的是mul函数，此时这三个文件在编译时是不会报错的，因为没有任何的语法错误，但是在链接时会报错，因为在main.o中需要这个mul函数，它会去所有的Object文件中寻找，找不到就会报错：undefined symbols，也就是mul这个符号是未定义的。

简而言之，main函数在编译时，若用到一个函数时，会去头文件中寻找函数声明，看看这个函数的调用是否正确，并且符合语法，这就是这个.hpp文件的作用，然后在链接时，main函数就会去所有的Object文件中寻找，但是链接的时候找不到这个函数的具体实现，所以无法完成链接。

把一个源文件分为三个文件，我目前的理解是：
有三个文件，分别是 main.cpp、mul.hpp、mul.cpp
main.cpp中的主函数是程序的入口，主函数会调用函数mul。
首先在编译main.cpp时，会先去mul.hpp文件中，找调用的函数的函数原型，确认在主函数中调用的mul函数是符合函数原型要求的，比如参数个数、参数数据类型等，这个mul.hpp的作用目前来说就是这样的，用来存放函数原型。
在main.cpp的主函数进行编译时，是不会去关心所调用的mul函数的具体实现有没有编译错误，这个任务是交给另外一个编译命令的。在函数具体实现的mul.cpp文件中，也include了mul.hpp，此处其实如果没有这个include，这个文件编译也是不会出错的，但是如果将一些公共的引用也写在了这个.hpp中，比如#include \<iostream>，则一定要在mul.cpp文件中引用mul.hpp。
之后我们会将这个mul.cpp也进行编译，得到一个对应的Object文件，主函数在检查完这个函数的函数原型是否符合后，我们将两个Object文件进行链接时，它会去对应的Object文件中寻找这个函数的具体实现，因为既然能生成Object文件肯定是通过了编译的，所以这个具体的实现肯定是无编译错误的，若找到了，就可以将两个Object文件链接在一起了，并继续执行。
综上，mul.hpp只是用来存放函数原型，若编译到调用函数语句时，编译可以检查函数的调用是否符合函数原型，只有在链接的时候，才会寻找编译这个函数的具体实现产生的Object文件，链接在一起，才可以具体执行。在编译时是不会管这个函数具体实现是否正确，因为那个步骤是另外一个编译的步骤。在具体实现的源文件中，我们可以没有这条语句：#include "mul.hpp" ，因为里面仅仅是只有函数原型。

链接错误可能的报错：symbol(s) not found for architecture x86_64

或者 clang: error: linker command failed with exit code 1

若报链接错误，需要去看看是哪个symbols，哪个符号没有链接上，去寻找错误的原因

• 运行时错误（runtime error）

若我们成功地编译、链接，并且可执行程序也可以成功运行，但在运行时突然出错，这个时候需要具体看实现的逻辑是否有误了，比如除数是 0

预处理与宏

预处理

整个编译过程可以分为很多子步骤，预处理是在真正的编译之前的一个步骤

预处理器在编译之前进行，预处理器是用来处理预处理指令的

预处理指令通常以 # 开头

每条指令占一行，只能占一行

预处理指令通常有：

define、undef、include、if、ifdef、ifndef、else、elif、endif、line、error、pragma

预处理include的具体过程：

通过预处理后，main.cpp就转化为了中间方框中的表达形式，也就是将.hpp里的内容嵌入到了这个位置，之后我们将嵌入后的代码送到编译器去编译。

所以编译器是不处理include指令的，是由预处理器来处理的，处理完后才会送给编译器

当预处理指令出错时，与编译无关，但是还是会引起编译错误

宏

宏，是由define指令定义的，比如：

#define PI 3.14

此处，PI不是变量，而是一个宏，3.14与PI形成了替换关系，可以像使用变量一样去使用他

会将PI替换为3.14，再送入编译器进行编译，可以理解为一个全文替换

通过命令行与程序交互

通过命令行参数，把特定的命令发给程序，让程序按照你的指令去做，使用命令行参数的程序调用：

g++ hello.cpp -o hello

g++是一个应用程序，与生成的hello没有区别，只是它功能更加丰富、更加庞大

我们使用g++这个程序去编译源文件，要编译的文件的文件名是用户指定的，并且告知将结果存入hello中

用户告诉程序要编译什么，输出成什么

程序通过命令行参数去获取用户的输入

实际上，完整的main函数是由两个参数的

第一个参数叫 argc，arguments count，也就是统计有多少个参数

具体的参数列表会放入一个字符指针数组中，char *argv[]，这个数组里面的元素是字符串，每个指针存储的是字符串的首地址，对这个首地址解引用就可获取字符串

写成下面也是等价的：

int main(int argc, char *argv[]) {
    ...
}

int main(int argc, char **argv) {
    ...
}

实例argument.cpp：

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char ** argv) {
    for (int i = 0; i < argc; i ++) {
        cout << i << ": " << argv[i] << endl;
    }
}

我们可以通过命令行参数，拿到用户的输入，然后按照用户的指令去做特定的事情

标签：main,函数,int,C++,编译,cpp,mul,随记,浅谈
From： https://www.cnblogs.com/bruce1992/p/17178037.html