【C++ 筆記】編譯流程（Compilation Process）

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編譯流程（Compilation Process）

共分四階段：

Preprocessing（前置處理）
Compilation（編譯）
Assembly（組譯）
Linking（連結）

Image Source：C++ Preprocessor And Preprocessor Directives - GeeksforGeeks

所謂的 Source File 也就是 Source Code，就是 .cpp / .c 檔案。

1. Preprocessing

範例指令：g++ -E main.cpp -o main.i

Preprocessing 前置處理是 C / C++ 編譯的第一步，主要對 # 開頭的指令（稱為 marco 巨集）進行處理。

簡單來說就是把 #include 展開（把標頭檔貼進程式），處理 #define 巨集、條件編譯這些東西，最後會輸出 .i 檔，裡面含一個乾淨的 C / C++ Code 跟插入的標頭檔和展開的巨集們。

接下來會做以下步驟的處理：

Macro Definition & Replacement
- 處理所有 #define 指令，把程式中出現的巨集全用定義內容替換掉。
- 如 #define PI 3.14 則將所有 PI 換成 3.14。
File Inclusion
- 處理 #include 指令，把指定的 header file 內容複製貼進 Source Code 在的位置。
- 如 #include <stdio.h> 會把 stdio.h 內容插入開頭中，如果他放在開頭的話。
Conditional Compilation
- 處理 #if, #ifdef, #ifndef 等條件判斷指令，符合條件的程式碼會保留，而其他的則全移除。
- 如在當只有定義 DEBUG 時，#ifdef DEBUG ... #endif 中的程式才會被編譯。
Macro Operators
- 處理 # 與 ## 等巨集運算符，# 用於字串化，## 用於拼接識別字。
- 如 #define STR(n) #n 會生成 "n"。
Predefined Macros
- 展開預定義巨集，如 __FILE__, __LINE__, __DATE__ 等，直接替換為實際內容（在預處理階段展開）。
Undefinition
- 處理 #undef 指令，把已定義的巨集移除。
- #undef PI 會移除先前定義的 PI。
Others
- 處理如 #error（強制產生錯誤）, #pragma（控制編譯器行為）, #line（設定行、檔名資訊等）。

2. Compilation

範例指令：g++ -S main.i -o main.s

Compilation 編譯為 C / C++ 編譯流程中將預處理後的 Source Code 轉換成組合語言（Assembly Language）的階段，主要在做是檢查語法、語意這些東西，然後會把高階語言翻譯成符合 CPU 架構的組合語言程式碼。

用簡單幾句話來說就是把 C/C++ Source Code 翻譯成組合語言（assembly code），順便檢查語法、型態等錯誤，最後會得到一個 .s 檔（組合語言）。

以下是 Compilation 的步驟：

Syntax Analysis（語法分析）：
編譯器會根據語法規則檢查程式碼結構是否正確，如括號配對、關鍵字使用、語句結構等。
Semantic Analysis（語意分析）：
如未宣告變數、類型不匹配、不可操作之值運算都會在這檢查。
Intermediate Representation, IR（中介碼）：
編譯器會將高階語言翻譯成一種介於 Source Code 和 Assembly Language 之間的中間語言表示，以便後續優化與產生組合語言代碼。
Optimization（優化）：
編譯器會試著去改寫中介碼的程式碼，提升執行效率、減少不必要的運算。
Assembly Code Generation：
最後編譯器會從中介碼轉換成組合語言，這時候生成的組合語言會被輸出成 .s 檔。

3. Assembly

範例指令：g++ -c main.cpp -o main.o

Assembly 組譯階段為 C/C++ 編譯流程中將組合語言（.s 檔）轉換成目標檔（object file，通常副檔名為 .o 或 .obj）的階段，目標檔是機器語言的二進位指令，可供連結器（Linker）使用。

這階段就只是把組合語言轉成機器碼（二進位指令），然後生成目標檔 .o 而已，然後電腦可以去執行這些低階指令，但還不能單獨去執行。

以下是 Assembly 的步驟：

讀取組合語言程式碼：
組譯器將從編譯階段輸出的組合語言程式碼（文字格式）讀入，內容是針對特定 CPU 架構設計的指令序列。
指令轉換機器碼：
把組合語言指令一一轉成其對應的二進位機器指令，轉換後的程式碼 CPU 可以執行。
（這步驟老實講我不知道叫啥）：
組譯器會對程式中用到的符號（如變數、函數名稱）進行初步紀錄，但因為還沒去做連結的動作，具體地址會在連結階段決定。
產生目標檔案（.o or .obj）：
輸出二進位格式的 .o or .obj 檔，內含機器碼及符號表等等，用於後續連結器將不同目標檔合併。

4. Linking

範例指令：g++ main.o math_utils.o -o main

Linking 為 C/C++ 編譯流程中的最終階段，主要將多個 object files 和連結外部函式庫（如 iostream）合併成一個可執行檔（.exe），並將程式中所有符號（函數、變數等）解析和對應到真實的記憶體地址。

比如說 add(a, b) 函數定義在另一個 math.cpp 檔案裡面，而 main.cpp 要存取 math.cpp 裡面的 add(a, b) 像下面這樣：

// math.cpp
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// main.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

// 宣告 add 函數（定義在 math.cpp）
int add(int a, int b);

int main() {
    cout << add(3, 4) << endl;
    return 0;
}