深入学习C++底层

C++内存管理

• 栈 存储函数的返回地址、参数、局部变量、返回值，从高地址向低地址增长
• 堆 malloc/free开辟内存的空间，从低地址向高地址增长
• 自由存储区 new/delete开辟内存空间
• 数据区
  数据区包含全局/静态存储区和常量存储区，存储已初始化的全局变量和静态变量、未初始化的全局变量和静态变量及字符串常量
• 代码区 存储程序的机器代码和程序指令

LINUX进程区分段及存储数据

Linux的每个进程都有各自独立的4G逻辑地址，其中0_{3G是用户态空间，3}4G是内核空间，不同进程相同的逻辑地址会映射到不同的物理地址中。
逻辑地址分段如下，自下而上：

• 代码段。分为只读存储区和代码区，存放字符串是常量和程序机器代码和指令
• 数据段。存储已初始化的全局变量和静态变量。
• bss段。存储未初始化的全局变量和静态变量，及初始化为0的全局变量和静态变量
• 堆。 当进程未调用malloc时是没有堆段的，malloc/free开辟的内存空间，向上生长
• 映射区。存储动态链接库以及调用mmap函数进行的文件映射
• 栈。存储函数的返回地址、参数、局部变量、返回值，向下生长。

GCC编译流程

• 预处理阶段：hello.c – “gcc -E预处理，头文件展开，宏替换” --> hello.i
• 编译阶段：hello.i – “gcc -s生成汇编文件” --> hello.s
• 汇编阶段：hello.s – “gcc -c生成二进制文件” --> hello.o
• 链接阶段：hello.o – “调用ld进行链接” --> a.out

动态库静态库区别及GCC加载库

静态库

• 编译时期链接
• 浪费空间和资源，如果多个程序链接了同一个库，则每一个生成的可执行文件就都会有一个库的副本，必然会浪费系统空间。
• 若静态库需修改，需重新编译所有链接该库的程序

动态库

• 运行时链接
• 运行时被链接，故程序的运行速度稍慢
• 动态库是在程序运行时被链接的，所以磁盘上只须保留一份副本，因此节约了磁盘空间。如果发现了bug或要升级也很简单，只要用新的库把原来的替换掉即可

GCC编译加载静态库

• 将所有的.c文件编译成.o目标文件

  • gcc -c add.c 生成add.o
  • gcc -c max.c 生成max.o

• 对生成的.o目标文件打包生成静态库

  • ar crv libfoo.a add.o max.o //libfoo.a是库的名字
  • ar:做库的命令
  • c:创建库
  • r:将方法添加到库里
  • v：显示过程，可以不要

• 使用静态库

  • gcc -o main main.c -static -L. -lfoo //这里写的foo是去掉前后缀后库的名字
  • -L：指定路径 .代表当前路径
  • -l：指定库名

GCC编译加载动态库

• 对生成的.o文件处理生成共享库，共享库的名字为libfoo.so

  • gcc -shared -fPIC -o libfoo.so add.o max.o
  • -shared 表示输出结果是共享库类型的
  • -fPIC 表示使用地址无关代码（Position Independent Code）技术来生产输出文件

• 库的使用

  • cp libfoo.so /usr/lib //将库拷贝到系统库路径下（不推荐）

  • export更改LD_LIBRARY_PATH当前终端的环境变量

  • 修改/etc/ld.so.conf文件，加入库文件所在目录的路径，然后
    运行ldconfig 目录名字，该命令会重建/etc/ld.so.cache文件即可

  • 上面三种选一个即可gcc -o main main.c -lfoo

extern-C的结果和CPP编译的区别

• 一个C语言文件p.c

#include 
void print(int a,int b)
{
     
       printf("这里调用的是C语言的函数:%d,%d\n",a,b);
}

• 一个头文件p.h

#ifndef _P_H
#define _P_H

void print(int a,int b);

#endif

• C++文件调用C函数

#include 
using namespace std;
#include "p.h"
int main()
{
       cout<<"现在调用C语言函数\n";
       print(3,4);
       return 0;
}

• 编译后链接出错：main.cpp对print(int, int)未定义的引用。

• 原因分析

  • p.c我们使用的是C语言的编译器gcc进行编译的，其中的函数print编译之后，在符号表中的名字为 _print
  • 我们链接的时候采用的是g++进行链接，也就是C++链接方式，程序在运行到调用print函数的代码时，会在符号表中寻找_print_int_int（是按照C++的链接方法来寻找的，所以是找_print_int_int而不是找_print）的名字，发现找不到，所以会t提示“未定义的引用”
  • 此时如果我们在对print的声明中加入 extern “C” ，这个时候，g++编译器就会按照C语言的链接方式进行寻找，也就是在符号表中寻找_print，这个时候是可以找到的，是不会报错的。

• 总结

  • 编译后底层解析的符号不同，C语言是_print，C++是_print_int_int

重载的底层原理

根据上面的编译分析，可以知道C语言没有重载，只有C++才有函数重载，因为函数重载通过参数列表的不同来实现。

• C语言没有重载

"int __cdecl Add(int,int)" (?Add@@YAHHH@Z)
"double __cdecl Add(double,double)" (?Add@@YANNN@Z）
"long __cdecl Add(long,long)" (?Add@@YAJJJ@Z)

在C语言中被解析为_Add，三个一样，所以不能进行区分，因此C语言不支持函数重载

• C++重载
  底层的重命名机制将Add函数根据参数的个数，参数的类型，返回值的类型都做了重新命名。那么借助函数重载，一个函数就有多种命名机制。 _Add_int_int，_Add_long_long，_Add_double_double

• C++中可以通过在函数声明前加 extern “C” 将一个函数按照 C 语言的风格来进行编译。

编译性语言和解释性语言的本质区别和优缺点

• 根本区别

  • 计算机不能直接的理解高级语言，只能直接理解机器语言，所以必须要把高级语言翻译成机器语言，计算机才能执行高级语言的编写的程序。翻译的方式有两种，一个是编译，一个是解释。两种方式只是翻译的时间不同。
  • 解释性语言不用编译，在运行时翻译
  • 编译性语言是编译的时候直接编译成机器可以执行的语言，编译和运行是分开的，但是不能跨平台。比如exe文件，以后要运行的话就不用重新编译了，直接使用编译的结果就行了（exe文件），因为翻译只做了一次，运行的时不要翻译，所以编译型语言的程序执行效率高

• 编译性语言的优缺点

  • 优点
    • 运行速度快，代码效率高，编译后程序不可以修改，保密性好
  • 缺点
    • 代码需要经过编译方可运行，可移植性差，只能在兼容的操作系统上运行。

• 解释性语言的优缺点

  • 优点
    • 可移植性好，只要有解释环境，可以在不同的操作系统上运行。
  • 缺点
    • 运行需要解释环境，运行起来比编译的要慢，占用的资源也要多一些，代码效率低，代码修改后就可以运行，不需要编译过程