How the C++ Compiler works?

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• How the C++ Compiler works?
• • compiling
  • Examples
  • 总结
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• compiling 编译
• linking 链接

compiling

C++ 编辑器要做的就是把文本变成中间格式——obj，然后obj们会被传入到linking，linking会做所有linking的事。

编译期要做的几件事：

• pre-process 预处理代码。所有预处理语句会在那时被评估。常见的预处理语句有：include, define, if和ifdef

  include 预处理语句很简单，预处理时会打开include的文件，读取所有内容，然后粘贴进我们引用的 #include的文档中。

  如果我们有2个文件：

  EndBrace.h

  }
  

  Math.cpp文件

  int Multipy(int a, int b) {int result = a * b;return result;
  #include "EndBrace.h"
  

  此时编译2个文件，会发现能够编译成功，就是因为预处理时将 }放到了Math.cpp文件中的#include "EndBrace.h"处。

  预编译一下看下结果：

  (base) randy@SanJieJiYuan:~/compiler$ gcc -E EndBrace.h Math.cpp
  # 1 "EndBrace.h"
  # 1 "<built-in>"
  # 1 "<command-line>"
  # 31 "<command-line>"
  # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
  # 32 "<command-line>" 2
  # 1 "EndBrace.h"
  }
  # 1 "Math.cpp"
  # 1 "<built-in>"
  # 1 "<command-line>"
  # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
  # 1 "<command-line>" 2
  # 1 "Math.cpp"
  int Multipy(int a, int b) {int result = a * b;return result;
  # 1 "EndBrace.h" 1
  }
  # 4 "Math.cpp" 2
  

• tokenizing 标记解释 和 parsing 解析阶段：将C++ 文本处理处理成编译器能懂和处理的语言。创建叫做 abstract syntax tree(抽象语法树)，就是以抽象语法树的形式表达代码，这是CPU会处理的机器码。

  可以打开生成的 obj文件看看里面其实写的已经是二进制数据了，只不过通过16进制表示出来。
  

  编译出可以看出来的汇编指令，这是计算机处理的指令：

  (base) randy@SanJieJiYuan:~/compiler$ gcc -o randy.asm -S Math.cpp
  (base) randy@SanJieJiYuan:~/compiler$ cat randy.asm .file   "Math.cpp".text.globl  _Z7Multipyii.type   _Z7Multipyii, @function
  _Z7Multipyii:
  .LFB0:.cfi_startprocendbr64pushq   %rbp.cfi_def_cfa_offset 16.cfi_offset 6, -16movq    %rsp, %rbp.cfi_def_cfa_register 6movl    %edi, -20(%rbp)movl    %esi, -24(%rbp)movl    -20(%rbp), %eaximull   -24(%rbp), %eaxmovl    %eax, -4(%rbp)movl    -4(%rbp), %eaxpopq    %rbp.cfi_def_cfa 7, 8ret.cfi_endproc
  .LFE0:.size   _Z7Multipyii, .-_Z7Multipyii.ident  "GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0".section        .note.GNU-stack,"",@progbits.section        .note.gnu.property,"a".align 8.long    1f - 0f.long    4f - 1f.long    5
  0:.string  "GNU"
  1:.align 8.long    0xc0000002.long    3f - 2f
  2:.long    0x3
  3:.align 8
  4:
  

编译器的工作就是把代码转化为 constant data（常数资料），或者是instructions（指令）。同时会得到其他数据，比如某个地方存储着所有的 constant variables(常数变量)

编译器会为每个函数制作1个函数签名，由各种特殊字符和函数名组成，当程序编译时，编译器会通过查找函数签名将它们linking起来。当调用函数时，编译器就会生成1个call 指令。

Examples

建立1个Log.cpp 文件和Main.cpp文件

Log.cpp

#include<iostream>void Log(const char* message) {std::cout << message << std::endl;
}

Main.cpp

#include <iostream>void Log(const char* message);int main() {Log("Hello Randy!");std::cin.get();
}

编译不linking

g++ -c  Log.cpp Main.cpp
(base) randy@SanJieJiYuan:~/compiler$ ls
Log.cpp  Log.o  Main.cpp  Main.o

项目里的每个cpp，都会被编译器编译成一个obj，这些cpp文件也叫 translation unit(编译单元)

.
├── Log.cpp
├── Log.o
├── Main.cpp
└── Main.o-rw-rw-r-- 1 qiancj qiancj   92 6月  13 23:10 Log.cpp
-rw-rw-r-- 1 qiancj qiancj 2904 6月  13 23:11 Log.o
-rw-rw-r-- 1 qiancj qiancj  112 6月  13 23:06 Main.cpp
-rw-rw-r-- 1 qiancj qiancj 2752 6月  13 23:11 Main.o

这里我们看到cpp文件产生的obj文件远远大于原来的cpp文件大小，因为原始的cpp文件中均包含 #include<iostream>，包含的这个头文件很大，造成了最终编译出的obj文件也很大。

看看预处理后的文件，前面大部分都是 iostream 中的代码，因为 iostream 也会include 其他文件，因此文件会很大很大。

如果1个cpp文件包含其他cpp文件，则这些包含的文件整体就是1个编译单元，如果诸多cpp文件互不包含，则每个cpp文件就是1个编译单元。因此1个 cpp文件与1个编译单元不等同。

本质上你得意识到，C++根本不在乎文件，文件这种东西在c++里不存在，文件只是用来给编译器提供源码的某种方法

举个例子，java中 class（类）名必须跟文件夹相同，而文件结构也得跟package一样。之所以这样，因为java需要某些文件的存在，C++完全不是这回事。

C++中默认定义头文件以 .h 结尾，代码实现文件以 .cpp 结尾，就是告诉编译器以C++的方式编译。

总结

编译器拿到源文件，生成1个包含机器语言和其他我们定义的常数数据的obj文件，然后将它们链接成1个包含所有需要运行的机器代码的可执行文件。

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