C/C++ 的編譯和鏈接

C/C++文件

C/C++程式文件包括 .h .c .hpp .cpp，其中源文件(.c .cpp)是基本的編譯單元，頭文件(.h .hpp)不會被編譯器編譯。

C/C++項目構建(build)過程，分為以下幾個步驟 預處理 → 編譯 → 鏈接。

預編譯

預編譯的過程可以理解為編譯器（實際上是預處理器，這裡統稱為編譯器就可以了）在正式編譯之前處理C/C++文件中的預處理命令，即#開頭的代碼。

常用的幾個預處理命令如下：

#include ......

#ifdef ...... #else......#endif

#define ......

#pragma ......

舉個例子，下麵是個很簡單的類定義：

MyClass.h

#define DEFAULT_VALUE 0

class MyClass {
public:
    void Fun();
public:
    int value = DEFAULT_VALUE;
};

MyClass.cpp

#include "MyClass.h"

void MyClass::Fun() {
    // Do someting
    return;
}

預編譯完成後的樣子：

class MyClass {
public:
    void Fun();
public:
    int value = 0;
};

void MyClass::Fun() {
    // Do someting
    return;
}

可以看到編譯器把.h文件替換到了.cpp文件中的#include 位置上，把DEFAULT_VALUE定義的值也替換到了相應的位置。

編譯

預編譯之後，編譯器會編譯每個源文件（.c .cpp），如果編譯成功，會生成對應的目標文件，Linux為.o文件，Windows平臺下為.obj文件。

以Linux平臺為例，上面的MyClass.cpp編譯完成後會生成MyClass.o文件

使用objdump可以看到目標文件MyClass.o的內容

$$ objdump -x MyClass.o

......
0000000000000000 g     F .text  0000000000000015 _ZN7MyClass3FunEv
......

編譯器會把MyClass::Fun()的名字改成_ZN7MyClass3FunEv，這個過程叫Mangle，由於C++支持重載，覆蓋等特性，所以編譯器必須把函數用一個唯一的標識表示。這個字元串就是編譯器生成的唯一標識。

這裡還要單獨說一下頭文件，頭文件的既然不是編譯單元，那麼它的作用是什麼？

頭文件就是負責”聲明“，編譯器在編譯MyClass.cpp的時候，對於MyClass這個類以及Fun()這個成員函數，編譯器必須找到它的聲明，這個函數才能被正確編譯。

如果有其他cpp需要使用MyClass這個類的時候，也需要它的的聲明。例如

main.cpp

#include "MyClass.h"

int main(int argc, char** argv) {
    MyClass tmp;
    tmp.Fun();
    return 0;
}

加上#include "MyClass.h" 編譯器在編譯main.cpp的時候才知道怎麼編譯MyClass這個類。MyClass.h里聲明是不會真正被編譯到main.o中，.h文件中的內容在目標文件中只是以列表的形式存在，這個表在後面鏈接時會用到。

當然，頭文件不僅可以用來聲明，還可以定義（定義全局變數，全局函數等），在頭文件中的定義要小心，可能會引起鏈接錯誤。

鏈接

鏈接就是將一堆目標文件加靜態庫文件裝配成可執行文件的過程。（或者是裝配成靜態/動態庫的過程）

上面兩個cpp分別被編譯成了MyClass.o, 和main.o，我們要生成可執行程式的話，就必須經過鏈接的過程，把兩個目標文件合成一個可執行文件。

main.o中，main函數會構造MyClass, 並且調用Fun()函數，那麼main就根據MyClass.h生成的表，找到MyClass.o中的函數，這個就是鏈接器要做的工作。

常見錯誤

構建c/c++工程的時候，最常見的就是兩種錯誤：

-- 編譯錯誤，在編譯過程中產生的錯誤，通常是語法錯誤，沒有聲明，重覆聲明導致編譯目標文件錯誤

其中沒有聲明通常是由於沒有#include相應的頭文件，或者頭文件缺少相應的聲明。

而重覆聲明通常是#include了相同的頭文件，比如 B.h 和 C.h 都包含 A.h，然後 main.h 包含了 B.h 和 C.h，這就導致A.h 在main中被包含了兩次。

解決這個問題的方法是可以在所有.h文件的第一行加上

#pragma once

或者，使用#ifndef ... #define ... #endif 語句塊

#ifndef NEWCLASS_H
#define NEWCLASS_H

......

#endif /* NEWCLASS_H */

-- 鏈接錯誤，常見的錯誤也是兩種，沒有定義和重覆定義，和上面的沒有聲明，重覆聲明類似。（這裡定義指的就是函數實現）

• 先討論沒有定義(undefined reference to xxx)

通常是因為函數有聲明，而且被使用了，但是沒有被定義。比如上面MyClass.cpp中，如果Fun()沒有被實現的話，MyClass.cpp和main.cpp編譯時都不會報錯，但是鏈接時會報告找不到Fun()。

當然，如果Fun()沒被main.cpp調用的話，即使不實現它，整個構建過程也不會出錯，因為鏈接器根本不會去找這個函數的定義。

• 然後是重覆定義(multiple definition)

指的一份相同的定義在兩個目標文件中都存在，鏈接的時候鏈接器不知道時用哪個了。這種問題通常由於全局函數，和全局變數定義在了頭文件中。導致多個目標文件包含相同的全局函數和全局變數的定義。

解決方法就是在頭文件中聲明，定義放到cpp文件中，或者為定義加上const 或 static這樣的修飾符，鏈接時會對這些帶有const和修飾符的變數特殊處理的。

const只適用於定義常量變數，static定義的是靜態全局變數，只在當前cpp有效，所以鏈接它也不會被別的目標文件鏈接，就不會有重覆定義的問題了。

總之在頭文件中定義變數和函數要特別主意，可能會導致鏈接錯誤。

當然也不是所有定義都不能放到頭文件中，比如剛纔說的const常量，static全局變數就是例外，還有內聯函數，可以定義在.h文件中，因為內聯函數會被拷貝到每個目標文件中，也不會參與鏈接的過程。

還有模板類必須放在頭文件中定義，這個下麵會討論這個。

關於模板，靜態成員變數

模板類模板函數必須聲明和定義在頭文件中，原因是什麼，舉個例子，假設MyClass是模板類

MyClass.h

template <typename T>
class MyClass {
public:
    void Fun();
public:
    T value;
};

MyClass.cpp

#include "MyClass.h"

template <typename T>
void MyClass<T>::Fun() {
    // Do someting
    return;
}

main.cpp

int main(int argc, char** argv) {
    MyClass<int> tmp;
    tmp.Fun();
    return 0;
}

編譯的時候沒有問題，但是鏈接時會報錯，main.cpp找不到MyClass<int>::Fun()，如下圖

MyClass雖然定義了Fun函數，但是MyClass.o中存在MyClass<T>::Fun()，而根據MyClass.h文件，main.o中需要找到MyClass<int>::Fun()的定義

結果鏈接器哪都找不到，只好報錯了。（實際上通過objdump查看MyClass.o，編譯器都沒有生成MyClass<T>::Fun()，因為編譯器認為這個函數沒人使用，就直接優化掉了）

如果非得在cpp中定義模板類的成員函數呢，有一種方法就是要顯示的在cpp文件中聲明，比如

MyClass.cpp

#include "MyClass.h"

template <typename T>
void MyClass<T>::Fun() {
    // Do someting
    return;
}

template void MyClass<int>::Fun();

加上下麵這行就不會有問題了，但是缺點就是開發MyClass的程式員無從知道其他類是怎麼使用這個模板的，不可能把所有可能的模板參數全都一一的列在這裡。

所以模板類的定義還是要寫在.h文件中，

那麼如果main.cpp使用到了MyClass<int>, 另外一個cpp也使用到了MyClass<int>，會不會產生重覆代碼導致重覆定義呢，不會，編譯器會處理好模板類的。

下麵是靜態成員變數，為什麼靜態成員變數的定義要放在cpp里，（模板類的靜態成員變數除外）

靜態成員變數和靜態全局成員變數不同。

靜態成員變數的作用域可以是整個工程，而靜態全局變數的作用域只是當前的cpp。所以靜態成員變數定義在.h中就會發生重定義錯誤。