Compile behind-the-scene

習慣使用了具備強大功能的整合工具-- IDE(e.g Visual Studio)，執行source code(e.g .cpp)僅需點下  建置(Build)  然後  ▷ ，有時是只點下  ▷  ，就完成了許多希望程式去做的事，很方便，但也因此缺乏對於幕後工程的認識。離開了IDE，使用terminal則可以透過下面的指令完成同樣的事情：

$ g++ main.cpp -o main.out #編譯
$ ./main.out #執行
helloworld

編譯透過以上一行簡單的指令，將我們寫的source code編譯成執行檔(在Linux上是.out，在Windows上則是.exe)，然後可以直接被電腦執行。簡單的一句指令，過程則可以分為四個步驟，分別是1. 前編譯Preprocessing, 2. 編譯compilation, 3. 組譯assembly 以及 4. 連結linking。

以下用一支比helloworld更簡單的程式來呈現:

• main.cpp

#define N 81
int main(){
        return 0;//this is the end
}

1. Preprocessing: .cpp -> .ii，處理＃，刪除註解(//, /**/)，加以編號。

$ g++ -E main.cpp -o main.ii

• main.ii:

# 1 "main.cpp"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
# 1 "<command-line>" 2
# 1 "main.cpp"
int main(){
 return 0;
}

2. Compilation: .ii -> .s，將 .ii檔進行分析以及最佳化，將高階語言翻譯成assembly code。屬於程式建構過程最複雜的環節。

• main.s

$ g++ -S main.ii -o main.s

        .file   "main.cpp"
        .text
        .globl  main
        .type   main, @function
main:
.LFB0:
        .cfi_startproc
        endbr64
        pushq   %rbp
        .cfi_def_cfa_offset 16
        .cfi_offset 6, -16
        movq    %rsp, %rbp
        .cfi_def_cfa_register 6
        movl    $0, %eax
        popq    %rbp
        .cfi_def_cfa 7, 8
        ret
        .cfi_endproc
.LFE0:
        .size   main, .-main
        .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:

3. Assembly: .s -> .o，將assembly code一一翻譯成machine code。

$ g++ -c main.s -o main.o 

^?ELF^B^A^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^A^@>^@^A^@^@
^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@X^B^@^@^@^@^@^@^@^@^@^
@@^@^@^@^@^@@^@^L^@^K^@ó^O^^úUH<89>å¸^@^@^
@^@]Ã^@GCC: (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1)
9.4.0^@^@^@^@^@^@^D^@^......

4. Linking: .o + static library -> .out，將.o檔連結static library(一大堆.o檔)形成.out檔。

$ ld -static (一大堆.o檔) 

^?ELF^B^A^A^@^@^@^@^C^@>^@^A^@^@^@À^P^@^@^
^@^@@^@^@^@^@^@^@^@è;^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@@
^@8^@^M^@@^@^_^@^^^@^F^@^@^@^D^@^@^@@^@^@^
@^@^@^@^@@^@^@^@^@^@^@^@@^......

Reference: <<程式設計師的自我修養>>