一文搞懂C/C++常用编译器-编程知识

一文搞懂C/C++常用编译器

news/2024/11/18 19:32:11/文章来源:https://www.cnblogs.com/luoweifu/p/18348981

1. C++ 编译器介绍
- 1.1. MSVC
  - 1.1.1. Visual C++与Visual Studio的版本对应关系
  - 1.1.2. 工具链的主要工具
- 1.2. GCC
  - 1.2.1. GCC的主要优点
  - 1.2.2. GCC的常用工具
  - 1.2.3. MinGW
- 1.3. Clang/LLVM
  - 1.3.1. Clang介绍
  - 1.3.2. Clang与LLVM的关系
  - 1.3.3. Clang/LLVM与GCC
2. C++ 编译器的安装
- 2.1. Windows
  - 2.1.1. MSVC安装
  - 2.1.2. 环境变量配置
- 2.2. Linux(Ubuntu)
  - 2.2.1. 安装GCC/GDB
  - 2.2.2. 安装CMake
- 2.3. macOS
  - 2.3.1. clang的安装
  - 2.3.2. 为什么gcc的版本号显示的是Clang version？
  - 2.3.3. gcc的安装
3. 验证编译器是否安装正常
- 3.1. 写一个测试Demo
- 3.2. 编译并运行
  - 3.2.1. Windows
  - 3.2.2. Linux
  - 3.2.3. macOS

1. C++ 编译器介绍

MSVC，GCC和Clang是业界三种最主流的C/C++编译器，下面粗劣比较一下他们的差异：

C++编译器	编译器全称	支持的平台	备注
MSVC	Microsoft Visual C++	Windows	由微软开发，主要用于Windows平台应用程序的开发。Visual Studio系列IDE默认集成了该编译器
GCC	GNU Compiler Collection	Windows, Linux, macOS	开源编译器，支持多种平台，Linux下C++开发一般默认会使用此编译器
Clang	Clang / Low Level Virtual Machine	Windows, Linux, macOS	LLVM项目的一部分，提供高效的编译性能。macOS的XCode工具默认集成了此编译器

1.1. MSVC

MSVC(Microsoft Visual C++)由微软开发，主要用于Windows平台应用程序的开发。
Visual Studio系列IDE默认集成了该编译器，可以通过下载安装Visual Studio安装包来安装。
MSVC只能在Windows下用，不支持跨平台。

1.1.1. `Visual C++`与`Visual Studio`的版本对应关系

_MSC_VER: 是MSVC编译器内置的宏定义，可以在源代码中直接引用。其值代表了MSVC编译器的版本，如：1900表示Visual Studio 2015(MSVC++ 14.0)。

MSC    1.0   _MSC_VER == 100
MSC    2.0   _MSC_VER == 200
MSC    3.0   _MSC_VER == 300
MSC    4.0   _MSC_VER == 400
MSC    5.0   _MSC_VER == 500
MSC    6.0   _MSC_VER == 600
MSC    7.0   _MSC_VER == 700
MSVC++ 1.0   _MSC_VER == 800
MSVC++ 2.0   _MSC_VER == 900
MSVC++ 4.0   _MSC_VER == 1000 (Developer Studio 4.0)
MSVC++ 4.2   _MSC_VER == 1020 (Developer Studio 4.2)
MSVC++ 5.0   _MSC_VER == 1100 (Visual Studio 97 version 5.0)
MSVC++ 6.0   _MSC_VER == 1200 (Visual Studio 6.0 version 6.0)
MSVC++ 7.0   _MSC_VER == 1300 (Visual Studio .NET 2002 version 7.0)
MSVC++ 7.1   _MSC_VER == 1310 (Visual Studio .NET 2003 version 7.1)
MSVC++ 8.0   _MSC_VER == 1400 (Visual Studio 2005 version 8.0)
MSVC++ 9.0   _MSC_VER == 1500 (Visual Studio 2008 version 9.0)
MSVC++ 10.0  _MSC_VER == 1600 (Visual Studio 2010 version 10.0)
MSVC++ 11.0  _MSC_VER == 1700 (Visual Studio 2012 version 11.0)
MSVC++ 12.0  _MSC_VER == 1800 (Visual Studio 2013 version 12.0)
MSVC++ 14.0  _MSC_VER == 1900 (Visual Studio 2015 version 14.0)
MSVC++ 14.1  _MSC_VER == 1910 (Visual Studio 2017 version 15.0)
MSVC++ 14.11 _MSC_VER == 1911 (Visual Studio 2017 version 15.3)
MSVC++ 14.12 _MSC_VER == 1912 (Visual Studio 2017 version 15.5)
MSVC++ 14.13 _MSC_VER == 1913 (Visual Studio 2017 version 15.6)
MSVC++ 14.14 _MSC_VER == 1914 (Visual Studio 2017 version 15.7)
MSVC++ 14.15 _MSC_VER == 1915 (Visual Studio 2017 version 15.8)
MSVC++ 14.16 _MSC_VER == 1916 (Visual Studio 2017 version 15.9)
MSVC++ 14.2  _MSC_VER == 1920 (Visual Studio 2019 Version 16.0)
MSVC++ 14.21 _MSC_VER == 1921 (Visual Studio 2019 Version 16.1)
MSVC++ 14.22 _MSC_VER == 1922 (Visual Studio 2019 Version 16.2)
MSVC++ 14.30 _MSC_VER == 1930 (Visual Studio 2022 Version 17.0)
MSVC++ 14.31 _MSC_VER == 1931 (Visual Studio 2022 Version 17.1)

1.1.2. 工具链的主要工具

工具	功能描述
cl.exe	编译程序
link.exe	链接程序
lib.exe	加载lib库的程序
nmake.exe	用makefile进行构建、编译的工具

备注： 用户只需要调用cl.exe，即可完成编译-链接全过程。因为cl.exe程序在编译时自己会去调用link.exe、lib.exe等程序。

1.2. GCC

GCC最开始的原名是GNU C Compiler，是GNU项目的C语言编译器。后来逐步拓展支持了更多的语言，支持编译C、C++、Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada、Go等，所以变成了GNU Compiler Collection（GNU编译器套装），是一套由GNU项目开发的支持多种编程语言的编译器工具链。

GCC支持多种平台和操作系统，包括Linux、Windows、macOS等，并且是许多开源项目和操作系统的标准编译器，如Linux内核。GCC还支持多种CPU指令集架构，如：X86、ARM等。

1.2.1. GCC的主要优点

支持多语言： 支持多种编程语言,如C、C++、Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada、Go等。
跨平台性： GCC编译器能够在不同的操作系统和硬件平台上编译和运行代码，确保了代码的高度可移植性。
性能优化： GCC编译器内置了多种优化策略，可以根据不同的编译选项进行代码优化，从而提升程序的运行效率。
功能丰富： 编译时可生成调试信息，便于开发者进行调试。并提供了广泛的编译选项和扩展功能，以满足不同开发者的需求。

1.2.2. GCC的常用工具

工具	描述
gcc	GCC的主要编译器，用于将源代码编译为可执行文件或库。支持多种语言（如C、C++、Fortran等），并提供丰富的编译选项。
g++	GCC的C++编译器，用于将C++源代码编译为可执行文件或库。与gcc共享许多相同的编译选项，同时支持针对C++的特定选项。
gdb	GCC附带的调试器，用于调试程序。允许在程序运行时设置断点、单步执行代码、查看变量值等。支持多种编程语言，提供强大的调试功能。
objdump	用于反汇编目标文件或可执行文件，显示二进制文件的汇编代码。还可显示符号表信息、重定位表等相关信息。
nm	用于列出目标文件或可执行文件中的符号表。显示函数、变量以及其他符号的名称和地址。
ar	用于创建、修改和提取静态库文件。允许将多个目标文件打包成一个库文件，以便在编译时链接使用。
size	用于查看目标文件或可执行文件的大小信息。显示代码段、数据段和符号表等各部分的大小统计。
readelf	用于显示ELF（Executable and Linkable Format）格式的二进制文件的详细信息。显示段表、符号表、动态链接信息等。

1.2.3. MinGW

MinGW（Minimalist GNU for Windows）是一个用于Windows平台的开发环境，它提供了GNU编译器集合（GCC）的Windows版本。MinGW允许开发者在Windows上使用GCC编译器来编译C、C++和其他支持的语言。MinGw只支持32位Widnows系统，MinGW-w64 支持32位和64位。所以现在说MinGW时，一般默认指的MinGW-w64，见 MinGW官网。

主要特点:

GCC编译器： MinGW包含了GCC编译器，支持C、C++、Fortran等语言。
跨平台开发：开发者可以使用MinGW编译的程序在Windows上运行，同时保持与Linux和其他Unix-like系统的兼容性。
开源： MinGW是开源的，遵循GNU通用公共许可证（GPL）。
轻量级： MinGW提供了一个轻量级的开发环境，不需要复杂的安装和配置。

1.3. Clang/LLVM

1.3.1. Clang介绍

Clang是一个由 LLVM 项目开发的 C、C++、Objective-C 等编程语言的编译器前端。它旨在提供更快的编译速度、更好的错误报告及与GCC兼容的编译器驱动程序。Clang 是 LLVM 编译器基础设施的一部分，通常与 LLVM 后端一起使用来生成机器代码。

Clang的主要特点包括：

快速编译和低内存使用： Clang 的设计目标之一是提供比 GCC 更快的编译速度和更低的内存占用。
高质量的错误和警告信息： Clang 提供了详细和易于理解的错误和警告信息，有助于开发者更快地找到和修复问题。
与 GCC 兼容： Clang 支持大多数 GCC 的编译器选项和工具链，使得从 GCC 迁移到 Clang 相对容易。
模块化设计： Clang 的架构是模块化的，易于扩展和集成到其他工具和流程中。
支持现代语言特性： Clang 支持最新的 C++ 标准和其他语言特性，使得开发者可以使用最新的编程技术。

Clang 不仅是一个编译器前端，还是一个强大的工具集，包括静态分析工具（clang-tidy）、代码格式化工具（clang-format）、重构工具等，这些工具可以帮助开发者提高代码质量和开发效率。

1.3.2. Clang与LLVM的关系

编译器的组成：

一个完整的编译器通常由三部分组成。

前端（FrontEnd）： 主要负责词法和语法分析，将源代码转化为抽象语法树；
优化器（Optimizer）： 则是在前端的基础上，对得到的中间代码进行优化，使代码更加高效；
后端（BackEnd）： 后端则是将已经优化的中间代码转化为针对各自平台的机器代码。

Clang与LLVM的关系：

更粗粒度的划分是把优化器和后端统称为后端，整个编译器就由前端和后端两部分组成。Clang就是编译器的前端，负责词法和语法分析；LLVM就是编译器的后端，负责优化和生成机器代码。

Clang/llvm的编译过程如下图：
file

LLVM 包括了两个概念：

广义的 LLVM：指的是一个完整的 LLVM 编译器框架系统，包括了前端、优化器、后端、众多的库函数以及很多的模块。
狭义的 LLVM：则是聚焦于编译器后端功能的一系列模块和库，包括代码优化、代码生成、JIT 等。

1.3.3. Clang/LLVM与GCC

GCC和LLVM是竞争对手，都是编译器框架系统。GCC包含前端和后端，LLVM也包含前端和后端，只是他的前端通常是Clang，所以Clang是LLVM 编译器框架系统的前端。

他们可能的组合如下：
file

眼尖的同学可能会问：为什么没有“Clang前端、GCC后端”的组合？

个人理解： GCC发展的时间非常早，带有很大的历史包袱。GCC后端的接口设计没有那么灵活，不能提供Clang足够的接口支撑（这也是LLVM架构最开始设计就考虑到的问题）。

LLVM Compiler发展过程的早期就经历了LLVM-GCC这种过渡期的组合(GCC前端+LLVM后端)。

2. C++ 编译器的安装

2.1. Windows

2.1.1. MSVC安装

进入微软官网下载页面：https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/downloads/
选择要下载的最新版本安装包下载器：
1. 如果要下载完整的Visual Studio IDE，选择：Visual Studio 2022 -> 版本类型（如果是个人开发使用，可以选择Visual Studio Community 2022）
2. 如果只需要下载MSVC编译器，选择: 用于Visual Studio的工具 -> Visual Studio 2022 生成工具。
3. 我希望用VSCode(而不是Visual Studio)来开发C++，所有我只需要下载MSVC编译器。
双击打开下载好的vs_BuildTools.exe，一路点击“继续”，到安装包选择页面时，选择“C++桌面开发”。

2.1.2. 环境变量配置

方法一指定的命令行：

MSVC安装后会生成特定命令行工具，可以在“开始 -> 搜索”查找一下命令行：

Developer Command Prompt for VS 2022: 用 32位x86编译器构建 32位x86 的目标程序。
x86 Native Tools Command Prompt for VS 2022: 用 32位x86编译器构建 32位x86 的目标程序。
x64 Native Tools Command Prompt for VS 2022: 用 64位x64编译器构建 64位x64 的目标程序。
x86_x64 Cross Tools Command Prompt for VS 2022: 用 86位x32编译器构建 64位x64 的目标程序。
x64_x86 Cross Tools Command Prompt for VS 2022: 用 64位x64编译器构建 32位x86 的目标程序。

打开对于的命令行，然后在此命令行下执行cl xx.cpp等相关编译命令。

方法二 bat脚本设置：

C:\software\MicrosoftVisualStudio\2022\BuildTools\VC\Auxiliary\Build下存在多个批处理文件，这些批处理文件可以初始化相应构建需求的环境变量：

vcvars32.bat: 使用 32位x86 编译器构建 32位x86 代码。
vcvars64.bat: 使用 64位x64 编译器构建 64位x64 代码。
vcvarsx86_amd64.bat: 使用 32位x86 本机兼容工具生成 64位x64 代码。
vcvarsamd64_x86.bat: 使用 64位x64 本机兼容工具生成 32位x86 代码。
vcvarsx86_arm.bat: 使用 32位x86 本机兼容工具生成 ARM 代码。
vcvarsamd64_arm.bat: 使用 64位x64 本机兼容工具生成 ARM 代码。
vcvarsx86_arm64.bat: 使用 32位x86 本机兼容工具生成 ARM64 代码。
vcvarsamd64_arm64.bat: 使用 64位x64 本机兼容工具生成 ARM64 代码。

打开cmd命令行或者power shell, 然后执行相应的.bat脚本然，再执行cl xx.cpp等相关编译命令。

方法三手动配置：

MSVC编辑器的默认安装在C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio，安装时可以自定义安装路径。在安装目录下的2022\BuildTools\VC\Tools\MSVC\14.40.33807\bin路径下，其中有两个文件夹，分别是hostx64和hostx86，这两个文件夹下又分别有x64和x86，他们的含义如下：

binHostx64 # 主机是64位的编译器x64 # 编译的目标文件是64位程序x86 # 编译的目标文件是32位程序Hostx86 # 主机是32位的编译器x64 # 编译的目标文件是64位程序x86 # 编译的目标文件是32位程序

根据自己的需求，选择对应的路径，如：我的主机是64位的，我希望用64位的编译器编译32位的目标程序，设置环境变量如下：

MSVC_DIR: C:\software\MicrosoftVisualStudio\2022\BuildTools\VC\Tools\MSVC\14.40.33807include: %MSVC_DIR%\include
lib: %MSVC_DIR%\lib\x86;
path: %MSVC_DIR%\bin\Hostx64\x86;

2.2. Linux(Ubuntu)

2.2.1. 安装GCC/GDB

1. 安装:

# 更新软件源
sudo apt update
# 通过以下命令安装编译器和调试器
sudo apt install build-essential gdb

Ubuntu 默认情况下没有提供C/C++编译环境的，你可以单独安装gcc、g++等工具，但会比较麻烦。Ubuntu提供了一个build-essential软件包，安装了该软件包，编译c/c++所需要的软件包也都会被安装。

2. 校验:

# 执行以下命令确认每个软件是否安装成功
# 如果成功，则显示版本号
gcc --version
g++ --version
gdb --version

2.2.2. 安装CMake

1. 安装:

sudo apt install cmake

1. 校验:

cmake --version

2.3. macOS

2.3.1. clang的安装

macOS下，我们可以通过安装Xcode命令行工具来安装clang，因为Xcode命令行工具中包含了clang。

在命令行中输入xcode-select --install，之后你会看到一个面板，要求你安装 Xcode 命令行工具。
点击 “Install”（安装），开始下载和安装过程。
当安装完成后，你会看到一个确认信息。
验证 XCode 是否安装成功
输入 xcode-select -p，如果看到下面的内容说明安装成功：/Library/Developer/CommandLineTools

验证 Clang 是否安装成功
输入 clang --version，如果看到下面的内容，说明安装成功：

Apple Clang version 15.0.0 (Clang-1500.3.9.4)
Target: x86_64-apple-darwin23.5.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin

2.3.2. 为什么gcc的版本号显示的是`Clang version`？

Xcode命令行工具安装完后，就已经包含gcc/g++工具了，我们可以查看一下其版本号

➜  ~ gcc --version
Apple Clang version 15.0.0 (Clang-1500.3.9.4)
Target: x86_64-apple-darwin23.5.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin➜  ~ g++ --version
Apple Clang version 15.0.0 (Clang-1500.3.9.4)
Target: x86_64-apple-darwin23.5.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Library/Developer/CommandLineTools/usr/bin

你有没有发现一个奇怪的现象：我们要查看的是gcc/g++的版本号，这里显示的版本号为什么是Apple Clang version XXX？

个人的理解： 这里的gcc/g++已经不是GNU Compiler Collection中的gcc/g++了, 某种意义上讲，他可能是 Clang/clang++ 的一个别名，底层的实现可能都换了，只是在接口上他做到了与GCC兼容。因为 Clang 设计的初衷就是为了超越和取代GCC的。

2.3.3. gcc的安装

如果你想独立安装GNU Compiler Collection，而不是XCode自带的gcc/g++，要如何操作？

用homebrew安装gcc（如果homebrew未安装请自行安装，这里不再讲解homebrew的安装方法）。

brew install gcc

安装完后，找到上述命令安装的GCC版本

➜  ~ ls -l /usr/local/bin | grep g++
lrwxr-xr-x  1 spencer  admin      33  8  2 17:08 g++-14 -> ../Cellar/gcc/14.1.0_2/bin/g++-14
lrwxr-xr-x  1 spencer  admin      55  8  2 17:08 x86_64-apple-darwin23-g++-14 -> ../Cellar/gcc/14.1.0_2/bin/x86_64-apple-darwin23-g++-14
➜  ~ 
➜  ~ g++-14 --version
g++-14 (Homebrew GCC 14.1.0_2) 14.1.0
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

说明我们的GCC安装成功，安装的版本是：14.1.0。可以用同样的方式查找gcc。

修改配置

在~/.bash_profile 文件添加如下内容：

alias gcc='gcc-14'
alias cc='gcc-14'
alias g++='g++-14'
alias c++='c++-14'

如果你用的是zsh，则在~/.zshrc文件中添加。

加载配置

# bash
source ~/.bash_profile
# zsh
source ~/.zshrc

再次验证版本号

➜  ~ gcc --version
gcc-14 (Homebrew GCC 14.1.0_2) 14.1.0
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.➜  ~ g++ --version
g++-14 (Homebrew GCC 14.1.0_2) 14.1.0
Copyright (C) 2024 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

可以看到现在版本号不再显示Apple Clang version XXX了。

3. 验证编译器是否安装正常

3.1. 写一个测试Demo

创建一个目录，如test_demo，并进入该目录。
在该目录下创建一个test.cpp文件，并输入以下代码：

#include <iostream>int main()
{std::cout << "Hello, world!" << std::endl;return 0;
}

3.2. 编译并运行

3.2.1. Windows

cl test.cpp
test.exe

3.2.2. Linux

g++ test.cpp
./a.out

3.2.3. macOS

clang++ test.cpp
./a.out

如何有正常输出Hello, world!则说明编译器安装成功。

大家好，我是陌尘。

IT从业10年+, 北漂过也深漂过，目前暂定居于杭州，未来不知还会飘向何方。

搞了8年C++，也干过2年前端；用Python写过书，也玩过一点PHP，未来还会折腾更多东西，不死不休。

感谢大家的关注，欢迎加我微信(Spencer_MC)，期待与大家一起交流。

【SunLogging】

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