C++——gcc/g++编译的四个过程

写在前面

在前一篇文章中：C++——g++常用命令，提及过g++编译器的编译程序的四个过程，g++可以看到程序从编译到运行的过程做了些什么。而VS等集成开发环境看不到这些。所以作为一名程序员初学者，还是很有必要静下心来学习这部分的内容的。

参考文献

• C++ —— C++程序编译的四个过程
• gcc/g++ 实战之编译的四个过程
• GCC编译的四个阶段
• gcc编译四个阶段步骤
• C语言编译过程简析
• gcc和g++的区别 (很详细的描述)

关于gcc与g++

由于在前一篇文章没有详细介绍GCC编译器。所以就在这里介绍一下GCC编译器。主要参考：gcc和g++的区别 (很详细的描述)

简单来说，gcc与g++都是GNU(组织)的一个编译器。需要注意以下几点：

1. gcc与g++都可以编译c代码与c++代码。但是：后缀为.c的，gcc把它当做C程序，而g++当做是C++程序；后缀为.cpp的，两者都会认为是C++程序。
2. 编译阶段，g++会调用gcc，对于c++代码，两者是等价的，但是因为gcc命令不能自动和C＋＋程序使用的库联接，所以通常用g++来完成链接。
3. 编译可以用gcc/g++，而链接可以用g++或者gcc -lstdc++。因为gcc命令不能自动和C＋＋程序使用的库联接（当然可以选择手动链接，使用命令如下），所以通常使用g++来完成联接。但在编译阶段，g++会自动调用gcc，二者等价。

gcc main.cpp -lstdc++

编译工作的四个过程

1. 预处理，生成.i的文件
2. 将预处理后的文件转换成汇编语言，生成.s文件
3. 汇编变为目标代码(机器代码)生成.o的文件
4. 连接目标代码,生成可执行程序

预处理

C 语言的代码首先由预处理器（preprocessor）对 #include（文件包含）、#define （宏定义）与条件编译（#ifdef #ifndef #if #undef）进行处理。具体来说：

• 将被include文件中的内容复制到源文件中；
• 然后将所有宏进行替代（根据宏的定义，替换掉所有的宏，例如定义了#define true 1，那么会将所有语句中的true用1进行代换，预处理后的文件中不再含有任何宏定义）；
• 处理条件编译的语句（只保留符合编译条件的语句，不符合条件的语句会删除掉）；

预处理之后的文件不会出现以#开头的任何语句。这就是预处理（preprocess）。

g++命令如下：

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

编译

这一步编译，也是狭义上的编译。

编译器对预处理器的输出进行编译，生成汇编语言（assemble language）的代码。一般来说，汇编语言的代码的文件扩展名是“.s”。

编译的主要工作是进行语法检查，查看是否有语法错误。特别注意一点，对于一些非本源文件中的外部函数（非本源文件中定义的函数），外部变量（非本源文件中定义的变量），编译不会去追究其定义及实现，一般只要有对应的声明，就可编译通过，甚至说外部函数没声明都可以编译通过（比如一般gcc就不会报错，只要链接能找到对应函数，仍然会生成可执行文件，但是g++就会报函数未声明的错误）。

g++命令如下：

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

汇编

接着编译，汇编语言的代码由汇编器（assembler）转换为机器语言，也就是二进制文件，这个处理过程称为汇编（assemble）。汇编器的输出称为目标文件（object file）。一般来说，目标文件的扩展名是“.o”。

Linux 中，目标文件也是 ELF 文件。使用file命令来查看目标文件，会显示ELF…relocatable，据此就能够将其和可执行文件区分开。

g++命令如下：

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

链接

目标文件本身还不能直接使用，无论是直接运行还是作为程序库（library）文件调用都不可以。将目标文件转换为最终可以使用的形式的处理称为链接（link）。使用程序库的情况下，会在这个阶段处理程序库的加载。

链接是将生成的一个或者多个中间文件联合生成可执行文件。所有的可执行文件都需要一个入口函数，在c语言里面入口函数是main函数，每个源文件都可能调用到其他源文件中的函数，所以生成的.o目标文件要进行链接，链接其他.o文件中的函数实现，最终生成一个可执行文件，链接主要工作是链接函数实现（本目标文件内部或者其他目标文件中定义的）和外部变量（函数体外的变量，也就是全局变量），进行各个目标文件的交互，具体是这样的，目标文件中的每个函数如果调用到了其他函数，那么就去链接其他的函数到本函数中，如果用到了外部的变量，那么去链接这个变量。

g++命令如下：

g++ hello.o -o hello

可执行文件

现代的 Linux 上的可执行文件，通常是指符合 ELF（Executable and Linking Format）这种特定形式的文件。 ls、 cp 这些命令（command）对应的实体文件都是可执行文件，例如/bin/ls 和 /bin/cp 等。

使用 file 命令能够查看文件是否符合 ELF 的形式。例如，要查看 /bin/ls 文件是不是ELF，在 shell 中输入如下命令即可。

$ file /bin/ls
/bin/ls: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.4.1, dynamically 
linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.4.1, stripped

如果像这样显示 ELF……executable，就表示该文件为 ELF 的可执行文件。根据所使用的 Linux 机器的不同，可能显示 ELF 64-bit，也可能显示 ELF 32-bit MSB，这些都是ELF 的可执行文件。

ELF 文件中包含了程序（代码）以及如何运行该程序的相关信息（元数据）。程序（代码）就是机器语言（machine language）的列表。机器语言是唯一一种 CPU 能够直接执行的语言，不同种类的 CPU 使用不同的机器语言。

使用g++编译.cpp文件，直接生成可执行文件，命令如下：

g++ hello.cpp -o hello

写在后面

这一部分算是对编译器编译程序的过程有了初步的了解。再接再厉。