【C++复习2】C++编译器的工作原理

如果你是一名newbird的话，建议观看如下视频加深你的理解，再看如下内容：
https://www.bilibili.com/video/BV1N24y1B7nQ?p=7

The cherno会额外告诉你如何将目标文件转换成汇编代码，CPU执行指令的过程以及编译器如何通过删除冗余变量，进行优化等知识。

声明：

以下内容均是chatGpt生成与对该视频总结获得的，希望对大家有所帮助。

什么是C++编译器

C++编译器是将C++源代码转换为可执行程序的软件工具，比如最出名的Visual Studio。

工作原理

其工作原理可以分为三个主要阶段：预处理、编译和链接。

1. 预处理

预处理阶段处理源代码中的预处理指令，如#include和#define等，并将它们替换为源代码。

预处理器还可以执行条件编译，根据代码中定义的条件来包含或排除代码。处理完成后，生成经过预处理的源代码。

2. 编译

编译阶段将预处理的源代码转换为中间代码，包括生成抽象语法树等操作。

编译器对代码进行词法分析和语法分析，并对代码进行语义检查，以确保其符合C++语言规范。然后，编译器将中间代码转换为机器代码，生成目标文件。

2.1 什么是中间代码？

C++编译器在编译阶段会将预处理后的源代码转换为中间代码，也称为目标代码（Object Code）。

特性：

这些中间代码是与平台无关的低级代码，通常是二进制格式或汇编代码。

具体来说，编译器会将源代码转换为抽象语法树（AST）。

2.2 什么是AST

概念：

AST是编译器在编译过程中使用的一种数据结构，用于表示源代码的语法结构。

编译器会对AST进行一系列的优化和转换，以生成目标代码。这些优化包括删除冗余代码、提取公共子表达式、常量折叠等。

生成的中间代码是与平台无关的，因为它们没有针对特定的CPU架构进行优化。在链接阶段，链接器将这些目标文件合并成一个可执行文件，并将其与操作系统和CPU架构相关的库文件链接起来，生成最终的可执行文件。

3. 链接

链接阶段将多个目标文件和库文件合并成一个可执行文件。

链接器会解析代码中的符号，找到其定义并将其连接起来。这些符号可能来自其他目标文件或库文件。

3.1 具体例子

假设我们有两个C++源代码文件，一个是main.cpp，一个是hello.cpp。main.cpp调用了hello.cpp中的一个函数，需要将它们链接起来才能生成可执行文件。

现在main.cpp，内容如下：

#include <iostream>
#include "hello.h"int main() {hello();return 0;
}

另一个是hello.cpp，内容如下：

#include <iostream>
#include "hello.h"void hello() {std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
}

还有一个头文件hello.h，内容如下：

#ifndef HELLO_H
#define HELLO_Hvoid hello();#endif

当我们运行时，会按如下的命令编译这些代码：

$ g++ -c main.cpp
$ g++ -c hello.cpp
$ g++ -o hello main.o hello.o

第一条命令将main.cpp编译为main.o目标文件，第二条命令将hello.cpp编译为hello.o目标文件，最后一条命令将两个目标文件链接起来，生成可执行文件hello。

我们可以执行./hello命令来运行程序，结果应该输出"Hello, world!"（ChatGpt说的，我没测试，但是逻辑很合理的样子）。

可以看到在链接阶段，链接器将main.o和hello.o文件合并为一个可执行文件。首先，链接器会对目标文件进行符号解析，找到main.o中调用hello.cpp函数的符号引用，并在hello.o中找到符号定义。然后，链接器将引用和定义链接起来，生成可执行文件。

3.2 额外问题（符号冲突的问题）

概念：

链接器还需要解决符号冲突的问题。当多个目标文件中存在相同的符号定义时，链接器会报告错误，因为无法判断应该使用哪个定义。

解决方案：
为了解决这个问题，C++提供了一些机制。

• 在头文件中声明函数或变量为extern，在链接阶段不进行符号解析，而是在运行时再进行解析。
• 此外，链接器还可以使用静态库或动态库来解决符号冲突问题。静态库在链接阶段被直接合并到可执行文件中，而动态库在运行时加载到内存中。

4. 总结

最终生成的可执行文件可以在计算机上运行，执行程序所描述的操作。

总的来说，C++编译器的工作原理是将源代码转换为可执行文件的过程，通过预处理、编译和链接三个阶段实现。