2. C++的编译/链接模型

C++的编译/链接模型

• 简单的加工模型

• 问题：无法处理大型程序
  • 加工耗时较长
  • 即使少量修改，也需要重新加工
• 解决方案：分块处理

• 好处
  • 编译消耗资源，但一次处理输入较少
  • 链接程序较多，但处理速度较快
  • 便于程序修改升级
• 由“分块处理”衍生出的概念
  • 定义 / 声明
  • 头文件 / 源文件
  • 翻译单元
    • 源文件 + 相关头文件（直接 / 间接）- 应忽略的预处理语句
  • 一处定义原则：
    • 程序级：一般函数
    • 翻译单元级：内联函数、类、模板

编译过程

预处理 --> 编译 --> 汇编 --> 链接

假如我们的源文件名为 hello.cpp

#include <iostream>

int main(void)
{
    std::cout << "Hello world!\n";
    return 0;
}

• 预处理，生成预处理文件 hello.i

g++ -E hello.c -o hello.i

• 编译，生成汇编文件 hello.s

g++ hello.i -S -o hello.s

• 汇编，生成目标文件 hello.o

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

• 链接，将多个目标文件进行链接，生成可执行文件 hello

g++ hello.o -s -o hello

然后执行可执行文件：

./hello

执行结果：

Hello world!

• 预处理

  • 将源文件转换为翻译单元的过程
  • 防止头文件被循环展开

    • #ifndef 解决方案

      举一个循环定义的例子，目录结构和源码如下：

      .
      ├── header1.h
      ├── header2.h
      └── main.cpp
      

      header1.h

      #include "header2.h"
      
      int fun();
      

      header2.h

      #include "header1.h"
      
      int fun2();
      

      main.cpp

      #include "header1.h"
      
      int main()
      {
      
      }
      

      我们进行编译：

      g++ -Wall -g main.cpp -o main
      

      出错，如下：

      In file included from header2.h:1,
                       from header1.h:1,
                       from header2.h:1,
                       from header1.h:1,
                       ......
      header1.h:1:21: error: #include nested depth 200 exceeds maximum of 200 (use -fmax-include-depth=DEPTH to increase the maximum)
          1 | #include "header2.h"
            |
      

      如果是智能的编译器，现在会提示“嵌套层数太多”这种提示：

      我们对上述代码添加如下语句：

      header1.h

      #ifndef HEADER2
      #define HEADER2
      #include "header2.h"
      int fun();
      #endif
      

      header2.h

      #ifndef HEADER2
      #define HEADER2
      #include "header1.h"
      int fun2();
      #endif
      

      然后再进行编译，就不会出问题了。但是如果使用了 clangd 来做提示，它仍旧会出现错误提醒，这时候编译是没有问题的，但我们最好不要这样写代码，在这里也只是举个例子。

      该解决方案的不足之处：

      • 会写多余的代码；
      • 由于宏取名（如HEADER2）是随意的，如果发生名称冲突，导致程序出错；

    • #pragma once 解决方案

      该方案更为优秀，原理为对展开进行计数，progma once 即为只允许展开一次，修改后的代码类似这样：

      header1.h

      #pragma once
      
      #include "header2.h"
      
      int fun();
      

      这种处理方式比传统的 ifdef 处理方式更好。

• 编译

  • 将翻译单元转换为相应的汇编语言表示

  • 编译优化

    • https://godbolt.org/z/zh9aqx

    optimize.cpp

    int main()
    {
        int res = 0;
        for (int i = 0; i < 1000; ++i)
        {
            res += i;
        }
        return res;
    }
    

    上面的这段代码，编译器在编译期间是可以进行优化的，优化等级从O0-O3，另外还有Os, Ofast 等，O0表示没有任何优化，O3表示最高等级优化：

    g++ -S -O0 optimize.cpp -o optimize.s
    

    从简单的汇编代码行数中我们也能看出，编译优化后的汇编代码更短，执行效率更高。

    更多关于编译优化的资料：

    

    -O0 ：这个等级（字母“O”后面跟个零）关闭所有优化选项，也是 CFLAGS 或 CXXFLAGS 中没有设置-O等级时的默认等级。这样就不会优化代码，这通常不是我们想要的。

    -O1 ：这是最基本的优化等级。编译器会在不花费太多编译时间的同时试图生成更快更小的代码。这些优化是非常基础的，但一般这些任务肯定能顺利完成。

    -O2 ：-O1 的进阶。这是推荐的优化等级，除非你有特殊的需求。-O2 会比 -O1 启用多一些标记。设置了 -O2 后，编译器会试图提高代码性能而不会增大体积和大量占用的编译时间。

    -O3 ：这是最高最危险的优化等级。用这个选项会延长编译代码的时间，并且在使用gcc4.x的系统里不应全局启用。自从3.x版本以来gcc的行为已经有了极大地改变。在3.x，-O3生成的代码也只是比-O2快一点点而已，而gcc4.x中还未必更快。用-O3来编译所有的软件包将产生更大体积更耗内存的二进制文件，大大增加编译失败的机会或不可预知的程序行为（包括错误）。这样做将得不偿失，记住过犹不及。在gcc 4.x.中使用-O3是不推荐的。

    -Os ：这个等级用来优化代码尺寸。其中启用了-O2中不会增加磁盘空间占用的代码生成选项。这对于磁盘空间极其紧张或者CPU缓存较小的机器非常有用。但也可能产生些许问题，因此软件树中的大部分ebuild都过滤掉这个等级的优化。使用-Os是不推荐的。

    编译优化的缺点：可能导致单步调试出错，虽然执行速度加快了，但是不利于调试。

  • 增量编译 VS 全量编译

• 链接

  • 合并多个目标文件，关联声明与定义
  • 连接（Linkage）种类：内部连接、外部连接、无连接
  • 链接常见错误：找不到定义

  link_err.cpp

  #include <iostream>
  
  extern int x;   // 使用外部定义的x
  
  int main(void)
  {
      std::cout << x << std::endl;
      return 0;
  }
  
  // g++ -Wall -g link_err.cpp define_x.cpp -o link_err
  

  define_x.cpp

  int x = 111;
  

  编译上述代码：

  g++ -Wall -g link_err.cpp define_x.cpp -o link_err
  

  可以正常生成可执行文件link_err

  但当我们编译的时候，遗忘了 define_x.cpp 的时候，就会出现如下错误：

  g++ -Wall -g link_err.cpp -o link_err
  /usr/bin/ld: /tmp/ccp6ekAb.o: warning: relocation against `x' in read-only section `.text'
  /usr/bin/ld: /tmp/ccp6ekAb.o: in function `main':
  /home/yuzu/deeping_into_cpp/ch1/link_err.cpp:7: undefined reference to `x'
  /usr/bin/ld: warning: creating DT_TEXTREL in a PIE
  collect2: error: ld returned 1 exit status
  

  其中 /home/yuzu/deeping_into_cpp/ch1/link_err.cpp:7: undefined reference to x 说明了问题所在：指向了未定义的引用 x。

注意：

• C++ 的编译 / 链接过程是复杂的，预处理、编译与链接都可能出错
• 编译可能产生警告、错误，都要重视