编译

编译器

• C 语言是编译型语言。源代码不能直接作为程序运行，需要用 gcc 等工具，编译成可执行文件（内含二进制机器代码），才能运行。
• 负责编译工作的工具有多种，统称为编译器。

常见的几种 C 语言编译器：

• gcc（GNU C Compiler）
  • 最初只支持编译 C 语言的源代码，后来还支持 C++、Objective-C、Fortran、Java 等语言，并且被移植到多个平台。
  • 是 GNU 编译器集合（GNU Compiler Collection）的一部分，后者是类 Unix 系统上的标准编译器。
• g++
  • gcc 提供的另一种编译命令，本质上也是 gcc 编译器。
  • 支持编译 C、C++ 语言，但默认将源代码当作 C++ 语言处理。
• MSVC（Microsoft Visual C++）
  • 支持编译 C、C++ 语言。
• Clang
  • 支持编译 C、C++、Objective-C 等语言。
  • 基于 LLVM 编译器运行。

gcc

gcc 基本的编译流程如下：

1. 预处理（Pre-Processing）：主要是处理 C 语言源文件中的预处理命令，生成一个中间文件 *.i 。

   gcc -E test.c -o test.i
   

   • -o 选项是控制生成的文件名。

2. 汇编（Assembling）：由中间文件 *.i 生成汇编语言文件 *.s 。

   gcc -S test.i -o test.s
   

3. 编译（Compiling）：由汇编语言文件 *.s 生成目标文件。

   gcc -c test.s -o test.o
   

   • 目标文件又称为对象文件，它是二进制文件，与最终的可执行文件很像。

4. 链接（Linking）：由目标文件生成最终的可执行文件。

   gcc test.o -o 1
   

• 上述四个步骤可以简化为一个步骤，称为 构建（Build）：

  gcc test.c -o test
      -I /root/test/include  # 添加头文件的检索目录
      -L /root/test/lib      # 添加库文件的检索目录
      -l lib1                # 链接一个名为 lib1 的库文件
      -static                # 只使用静态链接库
  

  • 使用了头文件或库文件时，gcc 会先检索-I、-L 指定的目录，再检索环境变量 PATH 路径。

• 编译时，可能遇到几种报错：

  • error ：致命错误，会导致编译失败。
  • warning ：警告，此时程序可以编译、链接，但运行时可能出错。
    • 比如用户定义了一个变量，却没有使用它，则编译时会警告：unused variable
    • 比如 ANSI C 标准没有规定，访问数组越界的结果是什么。这种操作称为 undefined behavior ，具体结果由各个编译器决定，可能报错，也可能不报错。

构建

• 当项目中源文件较多、引用关系较复杂时，用编译器逐个编译比较麻烦，建议使用构建工具。
  • 构建工具能调用编译器，自动化地编译大量源文件，并进行链接、打包等操作。
• 构建工具举例：
  • make ：通常调用 gcc 作为编译器，根据 Makefile 文件，构建项目。
  • cmake ：可以根据 CMakeList.txt 文件自动生成 Makefile 文件。在 Windows 上则是生成 visual studio 的 project 文件。
  • qmake ：用于生成 Qt 项目的 Makefile 文件。
  • 有的 IDE 本身提供了构建项目的功能，或者调用某种构建工具。

make

：一个命令行工具，用于构建 C 语言项目。

• 命令：

  make           # 开始编译（默认使用当前目录下的 Makefile）
      clean      # 删除所有被 make 创建的文件
      install    # 编译并安装到系统中
      uninstall  # 卸载
  

• make 在执行时，会读取 Makefile 文件中的指令，获取模块间的依赖关系，判断哪些文件过时了需要重新编译，然后生成中间代码或最终的可执行程序。

跨平台

• 假设你在主机 A 上编写了一个 C 语言程序，如何分享给主机 B 使用？

  • 可以将主机 A 上编译的二进制文件，拷贝到主机 B 。
    • 优点：
      • 主机 B 拿到文件，可以直接运行。
    • 缺点：
      • 主机 B ，可能与主机 A 差异大（比如操作系统不同、CPU 架构不同），不能运行主机 A 编译的二进制文件，这称为不兼容。
  • 可以将主机 A 上的源文件，拷贝到主机 B 。
    • 优点：
      • 即使主机 B ，与主机 A 差异大，也可以重新编译生成二进制文件，运行效果与主机 A 相同。（除非两个主机的编译器，差异大）
    • 缺点：
      • 主机 B 拿到源文件，需要编译，才能运行。这增加了耗时，还需要安装编译工具。

• 假设将主机 A 上编译的二进制文件，拷贝到主机 B ，如何保证兼容性（又称为跨平台）？

  • 有的编译工具，支持交叉编译。在主机 A 上，刻意编译出兼容主机 B 的二进制文件。
  • 比如主机 A 是 64bit CPU ，可以编译出兼容 32bit CPU 的二进制文件，能在主机 B 上运行，不能在主机 A 上运行。

• C 语言的跨平台挺麻烦，但其它高级编程语言擅长跨平台。比如 Java 通过 JVM 的机制与底层平台解耦，只需编译一次，就可以拷贝到多个平台上直接运行。

文件格式

• 在类 Unix 系统中：

  • 可执行文件、库文件的内容格式，都遵循 ELF（Executable and Linkable Format，可执行和可链接格式）。
  • 可执行文件通常没有扩展名，或者扩展名为 .bin 。
  • 目标文件的扩展名为 .o 。
  • 动态链接库的扩展名为 .a 。
  • 静态链接库的扩展名为 .so 。

• 在 Windows 系统中：

  • 可执行文件的扩展名为 .exe 。
  • 目标文件的扩展名为 .obj 。
  • 动态链接库的扩展名为 .lib 。
  • 静态链接库的扩展名为 .dll 。

库文件

：包含了一些二进制代码，可以被程序导入、调用。

• 文件名的格式为 lib + 库名 + 扩展名 。

• 用途：

  • 可以将程序的代码分离成多个模块，方便调整。
  • 可以将一个程序的部分代码解耦出来，保存在库文件中，给另一个程序调用，提高代码的复用性。
  • 可以将某种语言的程序保存在库文件中，给另一种语言的程序调用，提高代码的通用性。

• 分类：

  • 动态链接库
    • ：又称为共享库，在程序运行时才被动态导入。
    • 这会减小程序文件的体积，但在运行时需要花时间加载。
  • 静态链接库
    • ：在程序编译时的 "链接" 阶段被导入，保留在可执行文件中。
    • 这会增加程序文件的体积，但运行时不必花时间加载。

• 例：从目标文件生成动态链接库

  gcc -shared test.o... -o test.so    # 可以调用多个目标文件，还可以从.c 文件生成
      -fPIC      # 使生成的代码全部采用相对地址，这样就可以被加载到内存的任意位置
      -shared    # 生成共享动态链接库
  

  • gcc 在编译时会根据库名去寻找相应的库文件，且优先使用动态链接库，当动态链接库文件不存在时才寻找相同库名的静态链接库。

• 例：从目标文件生成静态链接库

  ar -rc lib1.a 1.o  ...          # 可以加上多个目标文件
  

相关概念

• MinGW（Minimalist GNU For Windows）
  • 该项目将 GNU 编译器集合移植到了 Windows 上，让用户可以在 Windows 上使用 GNU 编译器（一般是在 DOS 窗口中使用），生成扩展名为 .exe 的可执行文件。
  • 在编译时，会将源代码中调用的 Linux 库文件、API 转换成 Windows 库文件、API 。
• Msys
  • ：MinGW 的子项目，提供了一个在 Windows 上运行的简单 Linux 系统。
• Cygwin
  • ：一个可以在 Windows 上运行的简单 Linux 系统。
  • Cygwin 将一些 Linux 特有的库文件、API 移植到了 Windows 上，模拟出 Linux 的运行环境。被 Cygwin 编译出的程序在运行时会调用这些库文件。
  • 在 2020 年代以前，很多人会使用 Cygwin ，从而在 Windows 系统上运行 Linux 软件。但目前 Cygwin 很少被使用，因为 Windows 提供了 Windows 的 Linux 子系统（Windows Subsystem for Linux ，WSL），功能更强。
• Visual Studio
  • ：微软公司提供的一个重量级、功能丰富的 IDE ，支持 C、C++、C# 等语言的开发、调试、构建。
  • 可用于在 Windows 上编译 C、C++ 代码，而且比 MinGW 的功能更强。
  • 提供了 MSVC 编译器，以及 msbuild、cl、link、nmake 等命令行工具。
• Qt
  • ：一个跨平台的 C++ 开发框架。
  • 提供了一些与平台解耦的 C++ 库文件，因此在该框架中开发的程序可以直接编译成 Linux、Windows、MacOS 等多种平台的可执行文件。