g++编译过程学习笔记

学习用例

　　使用很简单的多文件编译项目，进行编译过程的学习，主要文件构成如下：

.
├── include
│   └── hello.h
└── src
    ├── hello.cpp
    └── main.cpp

　　其中hello.h声明了一个可以输出Hello World！的函数并在hello.cpp中完成实现。main.cpp中调用hello.cpp，运行时输出相应的内容。

• hello.h

#ifndef HELLO_H_
#define HELLO_H_
    void SayHello();
#endif

• hello.cpp

#include "hello.h"
#include<iostream>
void SayHello(){
    std::cout<<"Hello World!"<<std::endl;
}

• main.cpp

#include"hello.h"
int main(){
    SayHello();
    return 0;
}

g++命令及参数介绍

• -g 编译生成带调试信息的可执行文件

  g++ -g main.cpp

• -O[n] 优化源代码

  # -O0 不做优化
  # -O1 默认优化
  # -O2 除了完成-O1的优化之外，还进行一些额外的调整工作，如指令调整等。
  # -O3 则包括循环展开和其他一些与处理特性相关的优化工作。 
  # 选项将使编译的速度比使用 -O 时慢， 但通常产生的代码执行速度会更快
  g++ -O2 main.cpp

• -L和-l 指定库文件路径

  # -L 后为库文件路径，可以是绝对路径也可以是相对路径
  # -l 后紧跟库名，即libmytest.a 掐头（lib）去尾（.a）剩下的名字
  g++ -L ../lib/ -lmytest main.cpp

• -I 指定头文件搜索路径

  g++ -I ../include/ main.cpp

• -o 指定输出文件名

  g++ main.cpp -o main

编译过程

　　大多数时候，作为初学者的我们使用IDE或者各种扩展工具来完成cpp文件的编译，此过程中我们习惯性地忽略编译过程。但是，想要学习使用CMake构建大型项目时，如果能够熟悉编译过程，那么就能够很快的学会编写CMakeLists.txt文件。
　　这篇学习笔记参考了很多优秀的教程和说明，如有兴趣可以参考相关教程1、相关教程2、相关教程3。

预处理过程（Pre-Proccessing）

　　预处理阶段：主要完成对包含的头文件和宏定义以及注释等的处理工作，头文件的包含和宏定义其实大多采用直接替换的策略实现的。
　　在src文件夹下使用以下命令可以实现对源文件的预处理操作,指定生成.ii文件：

g++ -E hello.cpp -I ../include -o hello.ii
g++ -E main.cpp -I ../include -o main.ii

　　可以通过查看.ii文件，了解预处理过程产生的结果。比如，这里展示一下main.ii文件内容如下：

# 1 "main.cpp"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 1 "<command-line>" 2
# 1 "main.cpp"
# 1 "../include/hello.h" 1

    void SayHello();
# 2 "main.cpp" 2
int main(){
    SayHello();
    return 0;
}

编译过程（Compiling）

　　编译阶段：主要进行语法错误的检查，如果检查无误，则将代码翻译成汇编语言。
　　在src文件夹下使用以下命令执行编译过程，指定生成.s文件：

g++ -S hello.ii -o hello.s
g++ -S main.ii -o main.s

　　这一过程将生成汇编代码，不同的机器可能生成的汇编代码有所不同，这里展示一下main.s的文件内容如下：

    .file   "main.cpp"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    call    _Z8SayHellov@PLT
    movl    $0, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits
    .section    .note.gnu.property,"a"
    .align 8
    .long    1f - 0f
    .long    4f - 1f
    .long    5
0:
    .string  "GNU"
1:
    .align 8
    .long    0xc0000002
    .long    3f - 2f
2:
    .long    0x3
3:
    .align 8
4:

汇编过程（Assembling）

　　汇编阶段：主要是将汇编代码生成机器可执行的目标代码，即二进制码，可以发现编辑器已经不能识别和查看二进制文件了。
　　在src文件夹下使用以下命令执行汇编过程，最后将生成.o文件：

g++ -c hello.s -o hello.o
g++ -c main.s -o main.o

链接过程（Linking）

　　链接阶段：主要将各个.o文件进行链接生成可执行文件，核心工作是解决各个模块之间相互引用的问题。linux系统中生成的可执行文默认为a.out；windows系统中生成的可执行文件后缀为.exe；可以使用-o参数来指定生成的可执行文件名称。
　　在src文件下使用以下命令生成可执行文件：

g++ main.o hello.o -o main

运行可执行文件

　　运行可执行文件，查看是否正确完成源文件到可执行文件的编译过程：

./main

　　程序正常运行，并打印了Hello world!,如下图所示：

静态编译和动态编译

　　编译cpp文件的过程又分为静态编译和动态编译两种。
　　静态编译是将所有的模块都编译进可执行文件中，当启动可执行文件时，所有的模块都已经具备了，因此具有加载速度快，执行速度快的特点，但是程序体积也会更大，一旦静态库需要更新，程序就需要重新编译，多个程序使用时都需要单独加载，比较浪费内存。
　　动态编译是将应用程序所需要的模块都编译成动态链接库，当程序启动时，并不会加载所有的模块，只有用到某个模块时才动态的加载使用的模块，多个程序可以使用同一个加载到内容中的动态库，因此Linux中动态库也称为共享库。

静态库和动态库

静态库

　　Linux中的静态库由程序ar将.o文件打包生成，目标文件以lib为前缀，以.a作为文件后缀，中间的库名称可以自定义。比如：libhello.a
　　生成的静态库需要连同相应的头文件发布给使用者，以链接到可执行文件中。