C++ 編譯過程

  一般而言，對於 C++ 程式編譯有以下4個階段：

• 預處理（preprocessing）
  對源程式中的偽指令（以#開頭的指令）和特殊符號進行處理。偽指令包括巨集定義、條件編譯指令、標頭檔案包含指令等。
• 編譯（compilation）
  將預處理後的檔案編譯生成字尾為 .s 的組合語言檔案，。編譯程式所要做的工作是通過記法分析和語法分析，在確認所有指令都符合語法規則後，將其翻譯成等價的中間程式碼或彙編程式碼。
• 彙編（assembly）
  將彙編檔案彙編生成字尾為 .o 的目標檔案（二進位制）。彙編過程實際上是指把組合語言程式碼翻譯成目標機器指令的過程。
• 連結（linking）
  將多個目標檔案和庫連線生成字尾為 .out 或 .exe 的可執行檔案。連結程式的主要工作就是將有關的目標檔案彼此相連線，即將在一個檔案中引用的符號現該符號在另外一個檔案中的定義連線起來，使得所有的這些目標檔案成為一個能夠被作業系統裝入執行的統一整體。
  連結處理分為兩種：
  
  • 靜態連結（static linking）
    簡單說，指連結器在連結時將庫（靜態庫）的內容拷貝到可執行程式中。
  • 動態連結（dynamic linking）
    簡單說，指程式執行時才將庫（動態連結庫）連線到程式中。

Linux系統

參考《An Introduction to GCC》

使用gcc（GNU編譯器套件）

  gcc 最開始的時候是 GNU C Compiler，就是一個 c 編譯器。但是後來因為這個專案裡邊集成了更多其他不同語言的編譯器， GCC 就代表 the GNU Compiler Collection，所以表示一堆編譯器的合集。g++ 則是GCC的 c++ 編譯器。
  現在呼叫 gcc 的時候，已經不是當初那個 c 語言編譯器了，更確切地說它是一個驅動程式，根據程式碼的字尾名來判斷呼叫 c 編譯器還是 c++ 編譯器（g++）。即程式碼字尾是 .c，則呼叫 c 編譯器和 linker 去連結 c 的 library，程式碼字尾是 .cpp，則呼叫 g++ 編譯器，但是這裡 gcc 不會自動

• 基本引數
    shell 視窗中執行 gcc –help 列出基本引數：

  $ gcc --help
  
  # 省略一部分輸出
  
  -E                       Preprocess only; do not compile, assemble or link
  -S                       Compile only; do not assemble or link
  -c                       Compile and assemble, but do not link
  -o <file>                Place
   
   the output into <file>
  
  # 省略一部分輸出
  

• 例

  $ cd ~/design-pattern/factory/
  $ ls
  Factory.cpp  Factory.h  main.cpp  Product.cpp  Product.h

  • 編譯
    如上所述，gcc 不會自動和 c++ 庫連結，所以這裡只編譯，否則會有一堆連結錯誤

    $ gcc *.cpp -c
    $ ls # 可以看到編譯生成 *.o 物件檔案（二進位制）
    Factory.cpp  Factory.o  main.o       Product.h
    Factory.h    main.cpp   Product.cpp  Product.o

  • 連結

    • 上面強調 gcc 不會自動連結 c++ 庫，這裡我們可以手動連結 c++ 庫

    $ gcc *.o -lstdc++
    $ ls
    a.out        Factory.h  main.cpp  Product.cpp  Product.o
    Factory.cpp  Factory.o  main.o    Product.h
    $ ./a.out
    Concrete Facotry
    Concrete Product...

    • 因 gcc 不會自動連結 c++ 庫，所以可直接用 g++ 連結 .o 檔案生成 .out 可執行檔案

    $ g++ *.o
    $ ls
    a.out        Factory.h  main.cpp  Product.cpp  Product.o
    Factory.cpp  Factory.o  main.o    Product.h
    $ ./a.out
    Concrete Facotry
    Concrete Product...

  • 綜上，可直接使用 g++ 編譯連結 c++ 程式生成可執行檔案

    $ g++ *.cpp
    $ ls
    a.out  Factory.cpp  Factory.h  main.cpp  Product.cpp  Product.h
    $ ./a.out
    Concrete Facotry
    Concrete Product...

include 包含檔案搜尋路徑

  include 包含檔案在編譯的時候使用，GCC 搜尋標頭檔案路徑的順序：

1. 當前目錄（#include “” 方式會搜尋當前目錄，#include <> 方式不會搜尋當前目錄）
2. -I 選項指定的目錄
3. gcc 環境變數 CPLUS_INCLUDE_PATH 指示的目錄（c 程式使用的是 C_INCLUDE_PATH）

4. gcc 的預設目錄

   /usr/local/include
   /usr/include
   /usr/lib/x86_64-linux-gnu/5.4.0/include

     gcc 的預設目錄，不是由 $PATH 環境變數指定的，而是由 g++ 的配置 prefix 指定。

lib 庫檔案搜尋路徑

  連結的時候使用，搜尋順序：

• 靜態庫檔案

  1. -L 選項指定的路徑
  2. gcc 的環境變數 LIBRARY_PATH
  3. gcc 的預設目錄

  /lib
  /usr/local/lib
  /usr/lib

• 動態庫檔案
  
  1. 編譯程式碼時指定的路徑（gcc 的引數 -Wl, -rpath 指定）
  2. 環境變數 LD_LIBRARY_PATH 指定的路徑（多個路徑用冒號 : 分隔）
  3. 配置檔案 /etc/ld.so.conf 指定的路徑
  4. 預設的動態庫路徑 /lib，/usr/lib

-I（大寫的i）、 -include、 -L、 -l（小寫的L） 引數說明

• -I 擴充套件 gcc 在編譯時對包含檔案的搜尋路徑，即不使用 -I 引數時，只會在上述預設路徑下搜尋。

  $ cd ~/design-pattern/factory/
  $ ls
  Factory.cpp  Factory.h  main.cpp  Product.cpp  Product.h
  $ mv *.h ../
  $ gcc -c -I ../ *.cpp
  $ ls
  Factory.cpp  Factory.o  main.cpp  main.o  Product.cpp  Product.o
  $ gcc

• -include 指定包含標頭檔案，很少用，因為一般標頭檔案都在原始碼中用 #include xxx實現了。

• -L 擴充套件 gcc 在連結時對庫檔案的搜尋路徑，即不使用 -L 引數時，只會在上述預設路徑下搜尋。

  $ gcc *.cpp -I ../ -L /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5.4.0 -lstdc++
  
  # or
  
  $ g++ *.cpp -I ../ -L /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5.4.0
  $ ./a.out
  Concrete Facotry
  Concrete Product...

• -l 緊接庫名，指定程式要連結的庫。
  這裡注意庫名與庫檔名的區別，以檔案 ./usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/libstdc++.so 為例，libstdc++.so 為庫檔名，而庫名則是 stdc++。如

  $ gcc *.cpp -I ../ -lstdc++
  $ ls
  a.out  Factory.cpp  Factory.o  main.cpp  main.o  Product.cpp  Product.o
  $ ./a.out
  Concrete Facotry
  Concrete Product...

-shared 引數說明

  用於編譯生成動態庫。

Windows系統

  cl.exe 和 link.exe 分別是 visual studio IDE 中的編譯器和連結器。

使用cl.exe編譯器

• 用法

  usage: cl [ option... ] filename... [ /link linkoption... ]

• 基本引數

  • -I: 指定第一個尋找標頭檔案的目錄（如果指定多個目錄，則使用多個-I）
  • -c: 只編譯不連結
  • -EHsc: 指示編譯器啟用 C++ 異常處理

• 例：

  Windows下命令中使用路徑時，注意特殊字元要使用轉義字元”\”，如下路徑中包含\，空格和括號，前面均加轉義符”\”，或者將路徑用引號括起來。
  gitbash視窗：

    $ cl *.cpp -c -EHsc -I C:\\Program\ Files\ \(x86\)\\Microsoft\ Visual\ Studio\ 14.0\\VC\\include -I C:\\Program\ Files\ \(x86\)\\Windows\ Kits\\10\\Include\\10.0.10240.0\\ucrt
    # or
    $ cl *.cpp -c -EHsc -I "C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.10240.0\ucrt" -I "C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 14.0\VC\include"

使用link.exe連結器

• 用法

usage: LINK [options] [files] [@commandfile]

• 基本引數（以下引數在windows cmd視窗中執行有效，在bash中不過）
  
  • /LIBPATH: 指定要在環境庫路徑之前搜尋的路徑
  • /OUT: 指定輸出檔名
• 例：

  windows cmd 視窗（bash下測試不過）：

$ link *.obj /LIBPATH:"C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 14.0\VC\lib" /LIBPATH:"C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v7.1A\Lib" /LIBPATH:"C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.10240.0\ucrt\x86" /OUT:fac.exe

編譯器控制的LINK選項

  除非指定 -c 選項，否則 cl.exe 會自動呼叫 link.exe 。以下為 cl 中影響連結的常用功能（注意當引數有指定輸出檔案時，要帶冒號:）：

• /Fo: filename: 指定生成的 .obj 檔名
• /Fe: filename: 傳遞 /OUT:filename 給 link.exe, 指定生成的 .exe 檔名

環境變數

  CL 和 LINK 用到的環境變數有：

• cl.exe
  
  • INCLUDE: 指示 C/C++ 原始檔中使用 #include 包含的檔案，如標頭檔案等。標準 C/C++ 開發，會使用 Visual C++ 的安裝路徑下 vc\include 子目錄中的包含檔案， Windows API 開發，會使用Platform SDK 的安裝路徑下 vc\include 子目錄中的包含檔案。
  • LIBPATH: 指定用於搜尋使用 #using 引用的元資料檔案的目錄。
• link.exe
  
  • LIB: 指定搜尋物件、庫或其他檔案的路徑。標準 C/C++ 開發，會使用 Visual C++ 的安裝路徑下 vc\lib 子目錄中的包含檔案， Windows API 開發，會使用Platform SDK 的安裝路徑下 vc\lib 子目錄中的包含檔案link.exe會從如下路徑搜尋物件檔案和庫檔案：
    
    • 當前路徑
    • 命令列上由 /BASE 指定的路徑
    • 使用 LIB環境變數中的路徑。
  • TMP: 連結時尋找 OMF 或 .res 檔案時，會從這個路徑中尋找。

我本機的系統環境變數設定指令碼

echo off

setx -m WIN_KIT "C:\Program Files (x86)\Windows Kits"
setx -m WIN_SDK "C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs"
setx -m VS_INSTALL_DIR "C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 14.0"
setx -m Microsoft_SDK "C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs"

setx -m PATH "%VS_INSTALL_DIR%\VC\bin;%PATH%"

rem INCLUDE
rem -------
setx -m INCLUDE "%VS_INSTALL_DIR%\VC\INCLUDE;%VS_INSTALL_DIR%\VC\ATLMFC\INCLUDE;%WIN_KIT%\10\Include\10.0.10240.0\ucrt"

rem LIB
rem ---
setx -m LIB "%VS_INSTALL_DIR%\VC\lib;%VS_INSTALL_DIR%\VC\ATLMFC\LIB;%Microsoft_SDK%\Windows\v7.1A\Lib;%WIN_KIT%\10\Lib\10.0.10240.0\ucrt\x86;%WIN_KIT%\10\Lib\10.0.10240.0\ucrt\x64"

rem LIBPATH
rem -------
setx -m LIBPATH "%VS_INSTALL_DIR%\VC\lib;%VS_INSTALL_DIR%\VC\ATLMFC\LIB;%WIN_KIT%\10\Lib\10.0.10240.0\ucrt\x86;%Microsoft_SDK%\10\Lib\10.0.10240.0\ucrt\x86"

pause

使用 CL 生成可執行檔案

  環境變數設定好後，即可通過 cl 在命令列一步生成 C++ 的可執行檔案，例

$ cd /e/program/designPattern/Factory/Factory

$ ls *.cpp
Factory.cpp  main.cpp  Product.cpp

$ cl *.cpp -EHcs -Fe: fac
Microsoft (R) C/C++ Optimizing Compiler Version 19.00.24215.1 for x86
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

Factory.cpp
main.cpp
Product.cpp
Generating Code...
Microsoft (R) Incremental Linker Version 14.00.24215.1
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

/out:fac.exe
Factory.obj
main.obj
Product.obj

$ ls *.cpp *.obj *.exe
fac.exe*  Factory.cpp  Factory.obj  main.cpp  main.obj  Product.cpp  Product.obj

$ ./fac.exe
Concrete Facotry
Concrete Product...