【Linux/gcc】C/C++——编译过程-编程知识

前提：WSL2（Ubuntu）、gcc编译器。
gcc安装命令：
- ```
sudo apt-get install gcc
```
查看gcc版本：

1、编译过程

1.1、预处理

1.2、编译与汇编

1.3、链接

2、gcc实验

2.1、预处理

2.2、编译

2.3、汇编

2.4、链接

1、编译过程

对于c/c++编程，从源代码文件变成可执行文件，大致需要以下几步：
- 预处理 (Pre-Processing)
  - 预处理器处理#include、#define等内容，把头文件复制到源文件中等。
- 编译 (Compiling)
  - 得到以汇编语言写的，可读的文件。
- 汇编 (Assembling)
  - 得到二进制格式，不可读的文件。
  - 编译和汇编主要是分析源代码中的内容，然后转换为目标文件。
- 链接 (Linking)
  - 静态库和动态库的处理体现在链接过程中，链接器把目标文件和库一起打包变成可执行文件。
- 【注】c/c++的编译过程和java、python等语言不同。

1.1、预处理

预处理主要的工作包括：
- 文件包含，通常包括系统的头文件和自定义的头文件。
- 宏定义的处理，例如，#define PI 3.14，替换相应的内容。
- 条件编译，例如，#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif等，可以结合宏的使用实现部分编译，防止头文件重复包含等。
- 特殊控制，例如#pragma命令，#error命令等。
- 添加行号和文件名标识，清理注释内容等。
预处理指令不属于C/C++语言的标准语法，一定意义上也可以说预处理扩展了C/C++，因此预处理的具体语法和实现，与编译器以及平台相关。

1.2、编译与汇编

这是编译过程的核心部分，主要步骤有：
- 词法分析
- 语法分析
- 语义分析
- 代码优化
到这一步为止，我们从源文件 (和头文件) 得到了目标文件，通常每一个源文件都应该对应产生一个目标文件。下一阶段是链接，会把目标文件和库文件结合在一起，得到可执行文件 (二进制程序)。
为了得到正确的目标文件，这个环节重点检查：语法的正确，函数以及变量的声明和使用的正确。
- 【注】这一阶段，只要能在头文件中找到正确的声明即可，并不负责检查外部函数和变量是否被正确实现和定义，可以接收空头支票。
与之不同的是，下一阶段的链接器并不对源文件进行操作，它面对的就是目标文件和库文件，这个环节需要重点检查的是跨文件的符号 (外部函数和外部变量) 是否都被实现，并且把它们合并到一起（它需要检查，编译时开出的空头支票是否都被兑现），如果出现了符号未定义或者符号重复定义，就会报链接错误。

1.3、链接

链接就是将目标文件和库文件打包、组装成可执行文件的过程。这里库文件就是早已完成的，可重复使用的成熟组件，而刚刚实现的源文件已经被处理为目标文件，等待着被一起打包组装。
链接环节要解决的问题是，怎么让各个不同的模块可以一起工作。有的文件中使用的符号在另一个文件中定义，有的函数具体在另一个文件中实现。链接需要让它们互相认识，重定位，确定符号的对应关系，统一进行地址分配等。
- 例如，hello.c源文件使用了printf这个函数，通过stdio.h这个头文件中的函数声明可以明白它的用法，但是它的具体实现其实是在动态库libc.so.6，链接的时候需要引用这个库文件。
根据指定的链接库函数的方式不同，链接过程可分为静态链接和动态链接两种。选择静态链接时，相当于把库中需要用到的部分直接拷贝过来；选择动态链接时，相当于仅仅登记一下库的基本信息，等执行的时候再去查找和加载动态库。
- 静态链接：从库中将需要用到的部分内容直接拷贝到最终的可执行程序中。
  - 优点：可执行文件一旦生成，就与这个库没有联系，自己可以独立运行。
  - 缺点：可执行文件体积较大，有很多重复的空间占用；如果更新升级库中的功能，则所有用到这个库的可执行文件必须重新编译。
- 动态链接：编译时暂时记录一下动态库的基本信息，但不会拷贝其中的具体内容，等到运行时再去寻找需要的动态库，将其加载到内存中一起执行。
  - 优点：可执行文件体积较小，可以节约空间，多个程序可以共同利用同一个基础的动态库；可以灵活升级动态库的功能，如果保证二进制层面的兼容性，那么用到它的相关程序不需要重新编译。
  - 缺点：可执行文件执行时仍然需要这个动态库，执行时很可能遇到动态库找不到，动态库版本不兼容等问题。
由于两种链接方式对应的文件格式不同，一个具体的库只能被动态链接或只能被静态链接。通常的库可以提供静态库版本和动态库版本，可以灵活选择。
gcc如果同时找到了一个库的静态库版本和动态库版本，默认情况下会使用动态库，进行动态链接。

2、gcc实验

创建c文件：

mkdir project01  # 创建存放c文件的文件夹
cd project01  # 进入文件夹
vim hello.c  # 创建并编写c文件

编写hello.c：
- 按 i，进入插入模式，编辑文件。
- 编辑完毕后按回退键，输入 :wq，保存文件。

2.1、预处理

对于gcc来说，它会调用一个叫cpp的预处理工具，全称为C Pre-Processor (C 预处理器)，是一个与C编译器独立的小程序，注意不是C Plus Plus。
gcc使用-E选项可以让编译过程在预处理步骤完成之后停止。
- ```
gcc -E hello.c -o hello.i
```
【注】必须指明输出到文件hello.i，否则会把预处理结果直接输出到终端，建议的文件后缀为 .i。
查看hello.i文件。
- 得到的hello.i文件内容很长，仍然是可读的。文件前面的绝大部分都是头文件中的，原本的hello.c的内容在最后几行。

2.2、编译

这是整个编译过程的核心步骤，gcc调用的处理程序一般是cc。

gcc使用-S选项可以让编译过程在编译步骤完成之后停止。

gcc -S hello.c -o hello.s
# 不加-o可以默认生成同名.s 汇编文件hello.s
# 加-o选项则可以自定义输出文件名gcc -S hello.i -o hello.s
# 对.c或者.i文件都可以执行上述命令，效果一样

查看hello.s文件，即汇编语言文件。

2.3、汇编

gcc在这一环节调用的工具通常是as。

gcc使用-c选项可以让编译过程在编译步骤完成之后停止。

gcc -c hello.c -o hello.o
# 使用-c选项会让gcc在第三步汇编之后就暂停
# 不使用-o选项会默认生成同名的.o目标文件gcc -c hello.i -o hello.o
gcc -c hello.s -o hello.o
# 同样可以从.i .s中间文件出发，效果也是一样的

得到的是二进制格式的目标文件。

2.4、链接

链接过程是程序构建过程的最后一步，通常gcc调用ld来完成。
链接指的是把目标文件组合起来，变成可执行文件。由于当前例子只有单个文件，没有库文件，只会自动链接系统的一些库，暂时不需要关注这些细节。

gcc hello.o -o hello
# 从目标文件得到可执行文件gcc hello.o
# 省略-o选项相当于 -o a.outgcc hello.c
gcc hello.i
gcc hello.s
# 同样可以从.c .i .s文件出发，效果也一样

【注】gcc可以编译c++文件，但是不能自动链接c++程序使用的库，所以一般使用g++编译c++程序。
- 但是也可以使用gcc手动链接c++库，具体看：用gcc编译C++文件_gcc可以编译c++吗-CSDN博客
生成的hello为可执行文件，直接运行即可。
- ```
./hello
```