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C++基础：clang的分步编译-了解build细节

news 2025/9/16 19:22:57

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Clang
预处理器（Preprocessor）
编译器（compiler）
汇编器（assembler）
链接器（Linker）

Clang

Clang（发音为/ˈklæŋ/类似英文单字clang）是一个C、C++、Objective-C和Objective-C++编程语言的编译器前端。它采用了LLVM作为其后端，由LLVM2.6开始，一起发布新版本。它的目标是提供一个GNU编译器套装（GCC）的替代品，支持了GNU编译器大多数的编译设置以及非官方语言的扩展。作者是克里斯·拉特纳（Chris Lattner），在苹果公司的赞助支持下进行开发，而源代码许可是使用类BSD的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开源码许可。
Clang项目包括Clang前端和Clang静态分析器等。

之前我非常好奇，编程中从编写源代码到可执行文件的过程，很多集成开发环 (IDE)（比如Code::Blocks ,Microsoft Virtual Studio，Dev-Cpp等）都是先build一下，再run就完事。详细一点的涉及到编译器（Compiler）和链接器（Linker)，虽然又看了很多更为详细的文章，但始终还是缺乏实践操作,在捣鼓clang这玩意的时候，发现了竟然还有分步编译，这使得我能上手操作，真正直观感受一下这一过程：源代码（source code）→ 预处理器（preprocessor）→ 编译器（compiler）→ 汇编程序（assembler）→ 目标代码（object code）→ 链接器（linker）→ 可执行文件（executables），最后打包好的文件就可以给电脑去判读执行了。

下面看看Clang的分步编译是怎么搞得

# 预处理（Preprocessing）
clang++ -E hello.cpp -o hello.ii# 编译为汇编代码（Compilation）
clang++ -S hello.ii -o hello.s# 汇编为目标文件（Assembly）
clang++ -c hello.s -o hello.o# 链接为可执行文件（Linking）
clang++ hello.o -o hello

先温习一下几个术语：
源代码（英语：source code），是指一系列人类可读的计算机语言指令
目标代码（英语：Object code）指计算机科学中编译器或汇编器处理源代码后所生成的代码，它一般由机器代码或接近于机器语言的代码组成。[1]目标文件（英语：Object file）即存放目标代码的计算机文件，它常被称作二进制文件（Binaries）。
字节码（英语：Bytecode）通常指的是已经经过编译，但与特定机器代码无关，需要解释器转译后才能成为机器代码的中间代码。字节码通常不像源码一样可以让人阅读，而是编码后的数值常量、引用、指令等构成的序列。
机器语言（machine language）是一种指令集的体系。这种指令集称为机器代码（machine code），是计算机的CPU或GPU可直接解读的资料。

预处理器（Preprocessor）

在计算机科学中，预处理器是程序中处理输入数据，产生能用来输入到其他程序的数据的程序。继承于C语言的C++的C预处理器，是将采用以’#'为行首的指示，将相关的代码包含进来。
main.cpp

// 将 #include <iostream> 替换为iostream头文件的全部内容
// 可能从几行代码变成几千行代码
#include <iostream>
void a()
{std::cout << " a here " << '\n';
}void b()
{a();
}void c()
{a();b();
}void d()
{a();b();c();
}int main()
{d();return 0;
}

使用

clang++ -E main.cpp -o main.ii

调用预处理器处理源文件main.cpp之后，我打开处理之后的main.ii看了看，加上原来的总共得有37040行代码，下面截取了开头和末尾一部分代码，应该是#include 告诉编译器把C++标准库iostream里面的内容包含进来了。
在这里插入图片描述

main.ii

# 1 "main.cpp"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 468 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "main.cpp" 2
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/c++/14/iostream" 1 3
# 37 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/c++/14/iostream" 3# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/c++/14/bits/requires_hosted.h" 1 3
# 31 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/c++/14/bits/requires_hosted.h" 3
# 1 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/x86_64-linux-gnu/c++/14/bits/c++config.h" 1 3
# 34 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/x86_64-linux-gnu/c++/14/bits/c++config.h" 3
# 308 "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/../../../../include/x86_64-linux-gnu/c++/14/bits/c++config.h" 3
......
void a()
{std::cout << " a here " << '\n';
}void b()
{a();
}void c()
{a();b();
}void d()
{a();b();c();
}int main()
{d();return 0;
}

我注意到 iostream 头文件的实际路径是 “/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/…/…/…/…/include/c++/14/iostream”。然后我尝试切换工作目录（cd）到了 “/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/14/include/”，但我发现这个路径下并没有我要找的东西，或者这个路径本身不存在。我感到困惑。经过查询原来中间的…也代表当前目录的父目录，于是我算了一下，有4组…，从/14推到了/usr下，然后输入后面的信息，终于找到了iostream
在这里插入图片描述
iostream (only read) 共计88行

  1 // Standard iostream objects -*- C++ -*-23 // Copyright (C) 1997-2024 Free Software Foundation, Inc.4 //5 // This file is part of the GNU ISO C++ Library.  This library is free6 // software; you can redistribute it and/or modify it under the7 // terms of the GNU General Public License as published by the8 // Free Software Foundation; either version 3, or (at your option)......33 #ifndef _GLIBCXX_IOSTREAM34 #define _GLIBCXX_IOSTREAM 13536 #pragma GCC system_header3738 #include <bits/requires_hosted.h> // iostreams3940 #include <bits/c++config.h>41 #include <ostream>42 #include <istream>......67 #ifdef _GLIBCXX_USE_WCHAR_T68   extern wistream wcin;     ///< Linked to standard input69   extern wostream wcout;    ///< Linked to standard output70   extern wostream wcerr;    ///< Linked to standard error (unbuffered)71   extern wostream wclog;    ///< Linked to standard error (buffered)72 #endif73   ///@}7475   // For construction of filebuffers for cout, cin, cerr, clog et. al.76   // When the init_priority attribute is usable, we do this initialization77   // in the compiled library instead (src/c++98/globals_io.cc).78 #if !(_GLIBCXX_USE_INIT_PRIORITY_ATTRIBUTE \79       && __has_attribute(__init_priority__))80   static ios_base::Init __ioinit;81 #elif defined(_GLIBCXX_SYMVER_GNU) && defined(__ELF__)82   __extension__ __asm (".globl _ZSt21ios_base_library_initv");83 #endif8485 _GLIBCXX_END_NAMESPACE_VERSION86 } // namespace8788 #endif /* _GLIBCXX_IOSTREAM */....

从38-42，iostream文件还有其他的依赖库，或许闲了可以探索一下这些库之间的依赖关系。接下来看看编译器又将main.ii带向何方？

编译器（compiler）

编译器（compiler）是一种计算机程序，它会将某种编程语言写成的源代码（原始语言）转换成另一种编程语言（目标语言）。

它主要的目的是将便于人编写、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）。

使用

clang++ -S main.ii -o main.s

将预处理的main.ii文件编译成汇编代码main.s，在shell上打开main.s看看汇编是怎么样的，它是一种符号语言。
main.s

  1 .text2     .file   "main.cpp"3                                         # Start of file scope inline assembly4     .globl  _ZSt21ios_base_library_initv56                                         # End of file scope inline assembly7     .globl  _Z1av                           # -- Begin function _Z1av8     .p2align    4, 0x909     .type   _Z1av,@function10 _Z1av:                                  # @_Z1av11     .cfi_startproc12 # %bb.0:13     pushq   %rbp14     .cfi_def_cfa_offset 1615     .cfi_offset %rbp, -1616     movq    %rsp, %rbp17     .cfi_def_cfa_register %rbp18     movq    _ZSt4cout@GOTPCREL(%rip), %rdi19     leaq    .L.str(%rip), %rsi20     callq   _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@PLT21     movq    %rax, %rdi22     movl    $10, %esi23     callq   _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_c@PLT24     popq    %rbp25     .cfi_def_cfa %rsp, 826     retq27 .Lfunc_end0:28     .size   _Z1av, .Lfunc_end0-_Z1av29     .cfi_endproc30                                         # -- End function31     .globl  _Z1bv                           # -- Begin function _Z1bv32     .p2align    4, 0x9033     .type   _Z1bv,@function34 _Z1bv:                                  # @_Z1bv35     .cfi_startproc36 # %bb.0:37     pushq   %rbp38     .cfi_def_cfa_offset 1639     .cfi_offset %rbp, -1640     movq    %rsp, %rbp41     .cfi_def_cfa_register %rbp42     callq   _Z1av43     popq    %rbp44     .cfi_def_cfa %rsp, 845     retq46 .Lfunc_end1:47     .size   _Z1bv, .Lfunc_end1-_Z1bv48     .cfi_endproc49                                         # -- End function50     .globl  _Z1cv                           # -- Begin function _Z1cv51     .p2align    4, 0x9052     .type   _Z1cv,@function53 _Z1cv:                                  # @_Z1cv54     .cfi_startproc55 # %bb.0:56     pushq   %rbp57     .cfi_def_cfa_offset 1658     .cfi_offset %rbp, -1659     movq    %rsp, %rbp60     .cfi_def_cfa_register %rbp61     callq   _Z1av62     callq   _Z1bv63     popq    %rbp64     .cfi_def_cfa %rsp, 865     retq66 .Lfunc_end2:67     .size   _Z1cv, .Lfunc_end2-_Z1cv68     .cfi_endproc69                                         # -- End function70     .globl  _Z1dv                           # -- Begin function _Z1dv71     .p2align    4, 0x9072     .type   _Z1dv,@function73 _Z1dv:                                  # @_Z1dv74     .cfi_startproc75 # %bb.0:76     pushq   %rbp77     .cfi_def_cfa_offset 1678     .cfi_offset %rbp, -1679     movq    %rsp, %rbp80     .cfi_def_cfa_register %rbp81     callq   _Z1av82     callq   _Z1bv83         callq   _Z1cv84         popq    %rbp85         .cfi_def_cfa %rsp, 886         retq87     .Lfunc_end3:88         .size   _Z1dv, .Lfunc_end3-_Z1dv89         .cfi_endproc90                                             # -- End function91         .globl  main                            # -- Begin function main92         .p2align    4, 0x9093         .type   main,@function94     main:                                   # @main95         .cfi_startproc96     # %bb.0:97         pushq   %rbp98         .cfi_def_cfa_offset 1699         .cfi_offset %rbp, -16
100         movq    %rsp, %rbp
101         .cfi_def_cfa_register %rbp
102         subq    $16, %rsp
103         movl    $0, -4(%rbp)
104         callq   _Z1dv
105         xorl    %eax, %eax
106         addq    $16, %rsp
107         popq    %rbp
108         .cfi_def_cfa %rsp, 8
109         retq
110     .Lfunc_end4:
111         .size   main, .Lfunc_end4-main
112         .cfi_endproc
113                                         # -- End function
114     .type   .L.str,@object                  # @.str
115     .section    .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
116 .L.str:
117     .asciz  " a here "
118     .size   .L.str, 9
119
120     .ident  "Debian clang version 19.1.7 (3+b1)"
121     .section    ".note.GNU-stack","",@progbits
122     .addrsig
123     .addrsig_sym _Z1av
124     .addrsig_sym _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_c
125     .addrsig_sym _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc
126     .addrsig_sym _Z1bv
127     .addrsig_sym _Z1cv
128     .addrsig_sym _Z1dv
129     .addrsig_sym _ZSt4cout

上面有很多代码，但是基本都是重复的，提取出来就是下面的代码，根据ai和自己的理解查了查了意思。

1     .text                           # 将后续代码放入可执行代码段（text section）
2     .file   "main.cpp"              # 指明源文件名，用于调试信息
3                                         # Start of file scope inline assembly
4     .globl  _ZSt21ios_base_library_initv # 声明全局符号（通常是C++运行时库初始化例程）
5
6                                         # End of file scope inline assembly
7     .globl  _Z1av                   # 声明函数a()为全局符号，允许其他文件调用
8     .p2align    4, 0x90             # 16字节对齐（2^4=16），用0x90（NOP指令）填充空隙
9     .type   _Z1av,@function         # 声明符号_Z1av的类型是函数
10 _Z1av:                              # 函数a()的入口点（标签）
11     .cfi_startproc                 # 开始生成调用帧信息（CFI），用于调试和异常处理
12 # %bb.0:                            # 基本块0的标签（由编译器生成的控制流标记）
13     pushq   %rbp                   # 保存调用者的栈帧指针到栈上
14     .cfi_def_cfa_offset 16         # CFI: 规范帧地址（CFA）现在在原始SP+16的位置
15     .cfi_offset %rbp, -16          # CFI: 旧的RBP值保存在CFA-16的位置
16     movq    %rsp, %rbp             # 建立新的栈帧：将当前栈指针复制到RBP
17     .cfi_def_cfa_register %rbp     # CFI: 现在使用RBP作为计算CFA的基准寄存器
18     movq    _ZSt4cout@GOTPCREL(%rip), %rdi # 获取std::cout地址放入RDI（第一个参数）
19     leaq    .L.str(%rip), %rsi     # 计算字符串" a here "的地址放入RSI（第二个参数）
20     callq   _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@PLT # 调用operator<<输出字符串
21     movq    %rax, %rdi             # 将返回值（cout引用）作为下一次调用的第一个参数
22     movl    $10, %esi              # 将数字10（换行符'\n'的ASCII码）放入ESI（第二个参数）
23     callq   _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_c@PLT # 调用operator<<输出字符
24     popq    %rbp                   # 从栈中恢复调用者的栈帧指针
25     .cfi_def_cfa %rsp, 8           # CFI: 现在CFA在RSP+8的位置（指向返回地址之前）
26     retq                           # 从函数返回
27 .Lfunc_end0:                        # 函数结束的标签
28     .size   _Z1av, .Lfunc_end0_Z1av # 定义函数大小（结束地址-开始地址）
29     .cfi_endproc                   # 结束调用帧信息（CFI）记录

7行.globl是全局可见的意思，作用类似于c++中的全局变量，就是什么地方都可以访问它，_Z1av 就是指代标识符a,这就是为什么同一个作用域中函数名，变量名要唯一，目的是方便编译器识别。
9行 .type _Z1av,@function是关键字.type进一步告诉编译器_Z1av(a）是一个函数。
10行和27行是a函数开始和结束的地方，对应着a函数的左边花括号‘{’ 和右花括号‘}’的位置。
11行和27行是调用栈开始和结束的地方。我们听说一个函数就是一个栈，能够自动创建和销毁。而new出来的就是堆上面，需要手动创建和销毁，因此常常有跟指针相关的问题。
//todo 这里对汇编代码有点问题，稍后解决。

汇编器（assembler）

汇编语言（英语：assembly language或assembler language）是任何一种用于电子计算机、微处理器、微控制器，或其他可编程器件的低级语言。在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集。
使用汇编语言编写的源代码，然后通过相应的汇编程序将它们转换成可执行的机器代码（或者称为目标代码）。这一过程被称为汇编过程。
典型的现代汇编器（assembler）建造目标代码，由解译组语指令集的助记符（Mnemonics）到操作码，并解析符号名称（Symbolic names）成为存储器地址以及其它的实体。

目标代码（英语：Object code）指计算机科学中编译器或汇编器处理源代码后所生成的代码，它一般由机器代码或接近于机器语言的代码组成。[1]目标文件（英语：Object file）即存放目标代码的计算机文件，它常被称作二进制文件（Binaries）。

在shell上使用命令行

clang++ -c main.s -o main.o

汇编语言main.s 就会编译成目标代码main.o，下面打开main.o，我也懵逼了，这是啥东西，我用vim显示行数为7行，但是我连它怎么分行的都不清楚。
main.o

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最后一步就是链接器了，它做完最后的处理就会生成可执行文件，放到windows上就是exe文件，当点击exe文件运行时候出现的错误，我们叫做运行错误。

链接器（Linker）

链接器的作用是合并所有目标文件，并生成所需的输出文件（例如，可以运行的可执行文件）。这个过程称为链接。如果链接过程中的任何步骤失败，链接器都会生成一条描述该问题的错误消息，然后中止运行。

首先，链接器读取编译器生成的(经过前面三个步骤）每个目标文件并确保它们有效。

其次，链接器确保所有跨文件依赖关系都得到正确解析。例如，如果您在一个 .cpp 文件中定义了某个内容，然后在另一个 .cpp 文件中使用它，链接器会将这两个内容连接起来。如果链接器无法将对某个内容的引用与其定义连接起来，则会收到链接器错误，并且链接过程将中止。

第三，链接器通常链接一个或多个库文件，这些库文件是已“打包”以供其他程序重用的预编译代码的集合。

最后，链接器输出所需的输出文件。通常，这是一个可以启动的可执行文件（但如果您的项目设置了库文件，也可以是一个库文件）。

在shell上使用命令行

clang++ main.o -o main

链接器就会将目标代码main.o处理成可执行文件main,同样也晦涩难懂。
main

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在shell上我们来执行一下 main