gcc/g++的四步编译

前言

该篇文章主要介绍 linux 平台中 gcc/g++ 编译器的使用及其编译原理（本文以g++为例），其中包括，预处理，编译，汇编，链接（着重讲述预处理和链接过程。

1.预处理（进行宏替换）

预处理阶段主要处理的工作有：去注释，头文件展开，条件编译以及宏替换。这可能是自从我们学习c语言之后，大家都铭记于心的一点。但是预处理之后，文件到底变成是什么样子？？我们来做个实验

以下是我们的测试代码：

在这里插入图片描述

然后我们通过g++编译器进行四部编译的第一步操作

[outlier@localhost dir]$ g++ -E test.cpp -o test.i
其中的 -E 作用是告诉g++编译器，编译工作截止到预处理阶段就停止
而 -o 的左边的源文件，右边是编译完成之后生成的目标文件

ok，接下来我们对比两个文件有什么区别

在这里插入图片描述

左边是预处理后的源文件，右边是我们的c++文件，我们可以看到，头文件展开后，源代码量来到1w+，同时我们代码中原本的宏定义以及注释，以及被进行宏替换和注释去除的操作了，同时对源文件进行了条件编译的处理。

2.编译（生成汇编）

[outlier@localhost dir]$ g++ -S test.i -o test.s
其中的 -S 代表截止到编译阶段

生产的汇编文件如下图：

在这里插入图片描述

3.汇编（生成二进制文件）

[outlier@localhost dir]$ g++ -c test.s -o test.o
其中的 -c 代表截止到汇编阶段

生成的二进制文件如下图：

在这里插入图片描述
生成的 .o 文件属可重定位目标二进制文件，是不可独立执行的，需要经过链接操作才能执行。

4. 链接（生成可执行文件）

[outlier@localhost dir]$ g++  test.o -o test
其中的 -c 代表截止到汇编阶段

运行效果如下图：

在这里插入图片描述

链接操作主要的工作即为，将上述汇编阶段之后形成的可重定位目标二进制文件和库文件进行链接形成可执行程序。

那么，为什么需要链接呢？

在编译过程中的预处理阶段，编译器只是将头文件拷贝到我们的源文件中，而头文件只包含了我们需要用到的各种方法的声明，并没有包括实现，而各种方法的实现恰恰就在库文件当中。所以我们需要与库文件进行链接，进而形成可执行程序。

那么链接过程是怎么样子的呢？？

a. 动态库 && 动态链接

我们通过引入一个故事线进行阐述：
假设张三重生于10年代的高中时代，作为高中生的张三，非常喜欢打CF，但是又奈何家庭条件一般，家里没有电脑可以玩，于是在高中入学的时候，张三就找机会去向学长们打听到了学校附近的网吧，然后经过一番盘算，张三约了宿舍的好兄弟，计划好周末在学校留宿，然后白天去网吧跟兄弟们打CF。

于是乎，张三在周五晚上连夜制定了周末的计划：

9：00 吃早餐
9：30 语文作业
10：30 数学作业
12：00 吃午餐
13：00 午休
14：30 去网吧打CF
18：00 回学校
。。。。。。。。。。
23：30 睡大觉

接着，周六的太阳从东边缓缓升起，张三也随着计划表的时间线，从上而下去执行，除了网吧，张三计划的其它操作，都能够在学校当中完成，只有网吧打游戏的需求，学校满足不了，张三需要去网吧才能完成计划。而至于网吧在哪，张三已经提前向学长打听到了（学校南门往西500米处的）。而上完网吧后，张三便原路返回，并且随着时间线继续往下去执行自己的计划表。

那么故事就告一段路，我们可以从中类比得到：
所谓的网吧需求，也即我们的链接需求，我们的源代码中，只有头文件（方法的声明），没有库文件（方法的实现），因此我们对库文件有需求！！等价于故事性中张三可以在学校中完成除了打游戏的其它事情，打游戏需要到网吧才能完成。

再者，打游戏的可不仅仅是张三，还有张三的舍友，朋友等等，但是他们不需要去其它网吧，因为学校的网吧能够容纳学校的需求量，因此，张三打游戏也是去学校南门往西500米的网吧，张三的舍友、朋友也是去那个网吧。因此，网吧只要1个就够了，所以所谓的动态库，又称之为共享库，不是每个用户需要一个动态库，而是多个用户其实都是在使用同一个动态库，至于这个动态库在哪，等价于学长的编译器，会告诉你在哪。

一个月过去了。。。因为学校附近的网吧呼声越来越高，不小心透露到某些学生的家长耳中。家长们得知很是担忧，于是乎，家长们联合进行了一波举报。第二天，相关部门对该网吧进行一系列的检查，发现该网吧存在安全隐患等问题，对该网吧进行了封锁，停止其营业。而作为张三等人，并没有在第一时间得知，网吧被封锁了，于是在某个周末像往常一样，跟好兄弟们前往网吧打CF，到达目的地后才发现，网吧已经被封锁，无法正常使用。

而在上述的故事中，我们又能得知，所谓的网吧被封锁，导致的张三等人无法正常使用，即我们动态库有文件缺失，即无法继续正常使用，而影响的也不只是一个程序，所有程序可能都会被影响。而上述这种链接方式，即为动态链接！

b. 静态库 && 静态链接

相信理解了动态链接的大致原理之后，静态链接也就游刃有余了。

所谓静态链接无非就是，张三上了大学之后，有了属于自己的笔记本电脑，再也不需要跑到网吧去了，只需要在床上翻个身子，来到创下的桌子，即可完成张三的需求。那么类似于这种，把库文件拷贝到自己的本地电脑中，这就是静态库！编译的时候使用镜本地电脑中的库文件进行链接，这就是静态链接！

c. 验证

在这里插入图片描述

g++ test.cpp -o test_static -static			// 静态链接编译[outlier@localhost dir]$ ll
total 2012
-rwxrwxr-x  1 outlier outlier    9024 Jul  6 17:07 test
-rw-rw-r--. 1 outlier outlier     628 Jul  6 16:44 test.cpp
-rwxrwxr-x  1 outlier outlier 1608368 Jul  6 18:24 test_static

在这里插入图片描述

从上面的图文，我们不难发现，gcc/g++ 编译器都是默认的动态链接的方式，而当我们指定了静态链接，所形成的可执行程序大小也随之变大，这个也不难理解，毕竟静态链接就相当于，我们需要把库文件拷贝到自己的源文件当中。

d. 动静态链接的异同

动态库因为是共享库，有效的节省资源（磁盘空间，内存空间，网络空间等），但是动态库一旦缺失，导致各个程序都无法运行。
静态库，不依赖库，程序可以独立运行，但是体积大，比较消耗资源（磁盘，内存）

5. 指令总结

g++ -S test.i -o test.s						// 预处理
g++ -S test.i -o test.s						// 编译
g++ -c test.s -o test.o						// 汇编
g++  test.o -o test							// 链接
g++ test.cpp -o test						// 一步编译
g++ test.cpp -o test_static -static			// 静态链接编译
g++ test.cpp -o test_debug -g				// debug编译
g++ test.cpp -o test_static_debug -static -g  	// 静态+debug编译