编译入门¶
编译入门¶
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编译是什么？1
编译是将便于人编写、阅读、维护的高级计算机语言所写作的源代码程序，翻译为计算机能解读、运行的低阶机器语言的程序，也就是可执行文件。
编译器将原始程序（source program）作为输入，翻译产生使用目标语言（target language）的等价程序。
源代码一般为高级语言（High-level language），如 Pascal、C、C++、C# 、Java 等，而目标语言则是汇编语言或目标机器的目标代码（Object code），有时也称作机器代码（Machine code）。
为什么 C++ 需要编译？
C++ 是一种高级编程语言，它提供了丰富的特性来帮助开发者编写高效、灵活的程序。然而，计算机硬件只能理解和执行机器语言指令，即二进制代码。C++ 代码是人类可读的文本形式，需要转换成机器可执行的格式。这个过程就是编译。
编译器是将 C++ 源代码转换成机器代码的软件工具。编译过程确保了代码的语法正确性、类型安全，并且优化了代码以提高执行效率。
机器语言、汇编语言、高级语言¶
参考链接：
Machine, assembly and High level Language
深入理解计算机系统------汇编语言和机器语言
机器语言：
机器语言是最底层的编程语言，能被计算机的中央处理器（CPU）直接理解。它完全由二进制代码（0 和 1）构成，表示 CPU 可执行的原始指令。
特点：
二进制格式：机器语言指令以二进制（0 和 1）编写，因为计算机硬件通过电信号的开/关状态来识别指令。
架构特定性：因底层硬件设计差异，不同 CPU 架构（如 Intel x86、ARM）的机器语言各不相同。
无抽象：机器语言最贴近硬件，不提供任何抽象，程序员需直接管理内存、数据操作和控制流程。
例子：
10001001 11011000 的作用可能是：将寄存器 BX 的内容送到 AX 中
汇编语言：
汇编语言是一种低级编程语言，是机器码的符号化表示，相对便于记忆。每条汇编指令直接对应一条机器码指令，但代码使用可读的文本和助记符而非二进制。
特点：
可读性：汇编语言用助记符（如 MOV 表示数据移动，ADD 表示加法）代替二进制，比机器码更易理解。
一对一映射：每条汇编指令对应特定 CPU 架构的一条机器码指令。
架构特定性：汇编语言与 CPU 架构紧密绑定，不同机器的汇编程序需修改才能运行，程序可移植性差。
精细控制：允许直接操作寄存器、内存地址等硬件资源。
例子：
mov ax,bx：将寄存器 BX 的内容送到 AX 中
高级语言：
高级语言是抽象层级更高的编程语言，更贴近人类语言，使编程更便捷。其设计目标是跨硬件平台的可移植性。
特点：
高抽象：隐藏硬件细节（如内存管理、CPU 指令），让开发者专注于问题解决。
可移植性：程序通常无需修改即可在不同计算机上运行，语言编译器/解释器会处理硬件差异。
丰富库支持：提供大量内置库和框架，简化开发流程。
易读性：语法接近自然语言，代码更易编写和维护。
自动内存管理：许多高级语言通过垃圾回收等机制自动管理内存，无需手动干预。
例子：
ax = bx
解释性语言与编译性语言¶
参考链接：
「编译型语言」和「解释型语言」的区别
维基百科——编译语言
编译型语言：
编译型语言，是指在执行之前需要将源代码编译（compile）为机器代码的编程语言，使用“编译器”。
执行前需要编译，将程序转换为可在目标机器上运行的可执行文件，执行速度快。但每次修改源代码后，都需要重新编译，生成新的可执行文件。
编译型语言包括：C，C++，Rust，Go 等
解释型语言：
解释型语言，是指执行期间动态将代码逐句解释（interpret）为机器代码，或是已经预先编译为机器代码的子程序，之后再执行的编程语言，使用“解释器”。
解释型语言可快速调试，程序的开发整体时间相对较少。但由于需要在运行时转换为机器代码，解释型语言通常比编译型语言更慢。
解释型语言包括：JavaScript，Python，MATLAB 等
（选学）即时编译
即时编译（Just-in-time compilation，缩写为 JIT），是一种执行计算机代码的方式，这种方式结合了解释执行和预先编译的优点。
在程序运行过程中，JIT 编译器会不断分析正在执行的代码，找出频繁执行的部分，通过编译或重新编译这些部分来加速运行，（这要求编译或重新编译带来的性能提高将超过编译该代码的开销。）
编译的流程¶
参考链接：
C/C++ 程序编译流程（预处理->编译->汇编->链接）
浅谈 C/C++ 编译流程和常见编译器
下面以 g++ 编译 hello.cpp 文件为例，介绍编译的流程。
常见的 C/C++ 编译器
常见的 C/C++ 编译器主要有以下两种
GCC（GNU Compiler Collection）是一个开源的编译器集合，支持多种编程语言，包括 C 和 C++。
gcc 用于 C 语言的编译
g++ 用于 C++ 的编译（兼容 C 语言的编译）
LLVM（Low Level Virtual Machine）是一个开源的编译器基础设施项目，由一系列的模块化和可重用的编译器组件构成，支持广泛的编程语言，包括但不限于 C、C++。
clang 用于 C 语言的编译
clang++ 用于 C++ 的编译（兼容 C 语言的编译）
安装 GCC
我们以及在标准开发环境中安装了 gcc 。如果您希望在您的 Linux 环境中安装，可以参考下述方法安装：
sudo apt-get install build-essential # Debian/Ubuntu
sudo yum install gcc-c++ # CentOS/Fedora
预处理阶段（Preprocessing）：
移除注释。
处理预处理指令，如 #include 和宏定义，生成预处理文件(.i)
g++ –E hello.cpp –o hello.i
编译阶段（Compilation）：
将预处理后的代码转换成汇编语言，生成汇编文件(.s)
g++ –S hello.i –o hello.s
汇编阶段（Assembly）：
将汇编语言转换成机器代码，生成二进制文件(.o)
g++ –c hello.s –o hello.o
链接阶段（Linking）：
将编译生成的目标文件与库文件链接在一起，生成可执行文件。
g++ hello.o –o hello
上述四个步骤也可以直接一步完成
g++ hello.cpp -o hello
编译选项¶
参考链接：
GCC Option Summary
GCC 参数详解
编译选项是向编译器传递指令的参数，用于控制编译过程的不同方面。
常用编译选项
选项
意义
-o
指定输出文件
-E
只进行预处理，生成 .i 预处理文件
-S
只进行预处理和编译，生成 .s 汇编文件
-c
只进行预处理，编译，和汇编，不进行链接，生成 .o 二进制文件
-g
生成调试信息，供 GNU 调试器使用
-w
不生成任何警告信息
-Wall
生成所有警告信息
-ldir
添加 dir 为头文件搜索路径
-Ldir
添加 dir 为链接库搜索路径
-std=
编译的标准，如 c11 ， c++17 等
-O0
不进行优化处理
-O1
优化生成代码
-O2
进一步优化
-O3
更进一步优化
-Ofast
更加激进的优化，可能影响计算精度
-Os
优化代码大小
-march=
指定目标 CPU 架构
-mXXX
启用 XXX 指令集
-fopenmp
启用 OpenMP 并行
使用样例：
gcc -O3 -march=native -fopenmp YOUR_CODE.c -o YOUR_PROGRAM
编译实战¶
动手编译一个程序
编写源代码：
创建如下三个文件：
main.ctest.htest.c
#include "test.h"
int main(){
hellon(3);
hello_n(1);
return 0;
}
#include
void hellon(int);
#include "test.h"
static void inline hello();
void hellon(int n){
for(int i=0;i hello(); } } static void inline hello(){ printf("hello,world\n"); } 编译源代码： 使用以下命令编译： gcc test.c main.c -o main 运行程序： 编译完成后，可以通过以下命令运行程序： ./main 分步编译 尝试使用 gcc 分步编译上述三个文件： 先将两个 .c 文件编译为对应的 .o 文件 再使用 gcc 将这两个文件链接得到可执行文件 main 思考题 上述步骤中 printf 函数的实现代码是否被编译了，如果没有，为什么最后可以成功调用 printf 函数 编译并运行这个程序，尝试通过修改编译选项减少其运行时间。 calculate.cpp #include #include int main() { const long long N = 200000000; double result = 0; auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now(); for (long long i = 0; i < N; ++i) { result += i; result /= 3; result /= 3; result /= 3; } auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now(); auto duration = std::chrono::duration_cast std::cout << "Result: " << result << "\n"; std::cout << "Time: " << duration.count() << " ms" << std::endl; return 0; } 也许可以用 -Ofast 节选自维基百科 ↩ 2025年7月21日 2025年5月25日