程序员的基本修养之代码编译

| 代码编译过程介绍，避坑指南，一些常用代码查看工具使用介绍

预处理

1.预处理的作用

宏替换：
替换 #define 定义的宏。

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#define PI 3.14159
double circle_area(double radius) {
    return PI * radius * radius; // 替换后：3.14159 * radius * radius
}

头文件包含
替换 #include 指令为头文件的内容。

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#include <iostream>// 替换为 <iostream> 文件的完整内容

条件编译
根据条件选择性地编译代码。

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#ifdef DEBUG
    std::cout << "Debug mode is on" << std::endl;
#endif

宏展开
处理函数式宏。

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#define SQUARE(x) ((x) * (x))
int result = SQUARE(5); // 替换为 ((5) * (5))

注释删除
移除源代码中的注释内容。

2.查看预处理结果

通过 编译器选项 可以仅执行预处理步骤。例如gcc/clang：

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g++ -E main.cpp -o main.i
  • -E 选项表示仅执行预处理。
  • 输出文件 main.i 包含预处理后的源代码。 cmake可以通过添加配置保存中间产物
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set_target_properties(${PROJECT_NAME} PROPERTIES COMPILE_FLAGS "-save-temps=obj")

注：一些复杂的宏操作可以通过这种方式确定最终展开后的形式

3.预处理注意事项

宏展开陷阱
注意宏的嵌套展开可能引发意外行为，用括号保护表达式。

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#define ADD(x, y) ((x) + (y))

头文件滥用
导出了所有头文件并加入了搜索路径，当存在多个同名头文件时，可能会引起一些诡异的编译问题，或者运行时崩溃

  • 头文件的搜索顺序 1.搜索当前目录（一般是#include “header.h”，双引号方式引用头文件） 2.通过-I指定的目录，多个目录按加入的顺序搜索 3.标准系统目录

编译

| 编译是从源文件（.c/.cpp）生成目标文件（*.o）的过程

Q1：目标文件里面包含了哪些信息？

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llvm-objdump -s /path/to/objfile # 显示目标文件中所有Section的内容

1.目标文件类型、目标架构

查看命令：

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# 可以直接使用ndk里面的工具，目标文件/静态库/动态库/可执行文件都可以查看
llvm-readelf -h 目标文件
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File: /Users/marshall/Workspace/projects/test_compile/build/lib_src/CMakeFiles/lib_src.dir/conv1d.o
Format: Mach-O arm64
Arch: aarch64
AddressSize: 64bit
MachHeader {
  Magic: Magic64 (0xFEEDFACF)
  CpuType: Arm64 (0x100000C)
  CpuSubType: CPU_SUBTYPE_ARM64_ALL (0x0)
  FileType: Relocatable (0x1)
  NumOfLoadCommands: 4
  SizeOfLoadCommands: 520
  Flags [ (0x2000)
    MH_SUBSECTIONS_VIA_SYMBOLS (0x2000)
  ]
  Reserved: 0x0
}

2.只读内容存在__TEXT段

a.__text节保存了编译后的机器码:

内容：源代码编译后的二进制机器指令，对应程序的函数和逻辑 查看命令：

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llvm-objdump -d 目标文件

注：通过查看中间产物汇编文件（*.s）可以初步分析是否值得做
比如通过查看conv1d.s文件，发现已经做了循环展开，就不需要在c代码上手动做循环展开了（NEON类的SIMD在代码编译是否会进行编译优化待确定）

b.__cstring节保存了字符串
c.__const节保存了学常量

3.全局变量和静态变量保存在__DATA段

nm命令介绍 nm命令可以用来分析二进制分析的符号信息

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# -A 选项在符号名前附加文件名，适用于分析静态库（.a）：
nm -A 静态库路径
注：该命令可以用来辅助分析Undefined symbol一类的编译问题

Q2：同一份代码，保持编译参数不变的情况，两次编译最终的目标文件是否是一样的？

  • 通常一致的场景 如果满足以下条件，两次编译的目标文件大概率相同：
  1. 代码完全不变：未修改任何源码文件（包括头文件）
  2. 编译参数严格一致：包括优化级别（如 -O2）、调试选项（如 -g）、路径参数（如 -I）等
  3. 编译器版本一致：同一版本的编译器（如 GCC 12.3）和链接器
  4. 环境无干扰：
    a.无时间戳或随机化因素嵌入二进制文件（如代码中未使用 DATE、TIME 宏）
    b.编译路径和文件系统结构相同
  • 可能导致不一致的例外情况
  1. 时间戳或随机化因素
    若源码使用 DATE、TIME 等宏，编译后生成的二进制文件会包含编译时间戳，导致两次编译结果不同。
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printf("Build Time: %s %s\n", __DATE__, __TIME__); // 每次编译结果不同
  1. 调试信息中的路径差异
    调试信息（.debug_line 段）默认包含源码绝对路径。若两次编译的源码目录不同，目标文件会不同。
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# 第一次编译路径：/home/user/project/
gcc -g main.c -o main

# 第二次编译路径：/tmp/build/
gcc -g main.c -o main  # 调试信息中的路径不同，目标文件哈希值不同

链接

| 链接就是把所有目标文件合并到起，同时目标文件中在未知的地址（如在其它文件中实现的函数调用）替换成最终的地址

注：左侧是目标文件main.o，右侧是最终的可执行程序main ``` Shell llvm-objdump -d 目标文件 ```

动态库与静态库对比

macos环境下查看依赖

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otool -L /path/to/binary
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main:
	@rpath/liblib_src.dylib (compatibility version 0.0.0, current version 0.0.0)
	/usr/lib/libSystem.B.dylib (compatibility version 1.0.0, current version 1351.0.0)

注：@rpath 会根据不同应用的配置解析到对应的目录