详解C/C++代码的预处理、编译、汇编、链接全过程

1. C/C++运行的四个步骤

编写完成一个C/C++程序后，想要运行起来，必须要经过四个步骤：预处理、编译、汇编和链接。每个步骤都会生成对应的文件，如下图所示（注意后缀名）：

2.名词解释

为了后面过程的介绍更方便，这里对C++编译过程中涉及的一些常用名词进行解释。

2.1 GCC、GNU、gcc与g++

• GNU：一个操作系统，具体内容不重要，感兴趣可以参考：GCC、GNU到底啥意思？
• GCC：GNU Compiler Collection（GNU编译器集合）的缩写，可以理解为一组GNU操作系统中的编译器集合，可以用于编译C、C++、Java、Go、Fortan、Pascal、Objective-C等语言。
• gcc：GCC（编译器集合）中的GNU C Compiler(C编译器)
• g++：GCC（编译器集合）中的GNU C++ Compiler(C++编译器)

简单来说，gcc调用了GCC中的C Compiler，而g++调用了GCC中的C++ Compiler。

• 对于 *.c 和 *.cpp 文件，gcc分别当作c和cpp文件编译，而g++则统一当作cpp文件编译。

2.2代码编译命令

gcc/g++常用命令：

2.3 GDB(gdb)

GDB（gdb）全称“GNU symbolic debugger”，是Linux下常用的程序调试器。 为了能够使用gdb调试，需要在代码编译的时候加上-g，如

g++ -g -o test test.cpp
1

本文中只演示从源代码生成可执行二进制文件的过程，暂不涉及调试过程。调试的配置会在另一篇文章中专门介绍。

3. C++编译过程详解

主要参考：

• C++预编译，编译，汇编，链接
• [C/C++语言编译链接过程](https://zhuanlan.zhihu.com/p/88255667#:~:text=C/C++语言编译链接过程1 1.预处理(Preprocessing)预处理用于将所有的#include头文件以及宏定义替换成其真正的内容 ，预处理之后得到的仍然是文本文件，但文件体积会大很多。 …,成最终的 可执行文件(executable file)。 … 5 5.数据和指令)

本节内容用下面的简单C++工程做演示。示例的文件结构如下：

|—— include
	  |—— func.h
|—— src
	  |—— func.cpp
|—— main.cpp
12345

其中，main.cpp是主要代码，include/func.h是自定义函数的头文件，src/func.cpp是函数的具体实现

各个文件的内容如下：

// main.cpp
#include <iostream>
#include "func.h"

using namespace std;

int main(){
    int a = 1;
    int b = 2;
    cout << "a + b = " << sum(a, b) << endl;;

    return 0;
}
12345678910111213
// func.h
#ifndef FUNC_H
#define FUNC_H

int sum(int a, int b);

#endif
1234567
// func.cpp
#include "func.h"

int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}
123456

3.1预处理（Preprocess）

预处理，顾名思义就是编译前的一些准备工作。

预编译把一些#define的宏定义完成文本替换，然后将#include的文件里的内容复制到.cpp文件里，如果.h文件里还有.h文件，就递归展开。在预处理这一步，代码注释直接被忽略，不会进入到后续的处理中，所以注释在程序中不会执行。

gcc/g++的预处理实质上是通过预处理器cpp（应该是c preprocess的缩写?）来完成的，所以我们既可以通过g++ -E，也可以通过cpp命令对main.cpp进行预处理：

g++ -E -I include/ main.cpp -o main.i
# 或者直接调用 cpp 命令
cpp -I include/ main.cpp -o main.i
123

上述命令中：

• g++ -E 是让编译器在预处理之后就退出，不进行后续编译过程，等价于cpp指令
• -I include/用于指定头文件目录
• main.cpp是要预处理的源文件
• -o main.i用于指定生成的文件名

预处理之后的程序格式为 *.i，仍是文本文件，可以用任意文本编辑器打开。

执行完预处理后的文件结构如下：

|—— include
	  |—— func.h
|—— src
	  |—— func.cpp
|—— main.cpp
|—— main.i
123456

3.2编译（Compile）

编译只是把我们写的代码转为汇编代码，它的工作是检查词法和语法规则，所以，如果程序没有词法或则语法错误，那么不管逻辑是怎样错误的，都不会报错。

编译不是指程序从源文件到二进制程序的全部过程，而是指将经过预处理之后的程序转换成特定汇编代码(assembly code)的过程。

编译的指令如下：

g++ -S -I include/ main.cpp -o main.s
1

与预处理类似，上述命令中：

• g++ -S是让编译器在编译之后停止，不进行后续过程
• -I include/用于指定头文件目录
• main.cpp是要编译的源文件
• -o main.s用于指定生成的文件名

编译完成后，会生成程序的汇编代码main.s，这也是文本文件，可以直接用任意文本编辑器查看。

执行完编译后的文件结构如下：

|—— include
	  |—— func.h
|—— src
	  |—— func.cpp
|—— main.cpp
|—— main.i
|—— main.s
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3.3汇编（Assemble）

汇编过程将上一步的汇编代码(main.s)转换成机器码(machine code)，这一步产生的文件叫做目标文件(main.o)，是二进制格式。

gcc/g++的汇编过程通过 as 命令完成，所以我们可以通过g++ -c或as命令完成汇编：

g++ -c -I include/ main.cpp -o main.o
# 或者直接调用 as 命令
as main.s -o main.o
123

上述指令中：

• g++ -c让编译器在汇编之后退出，等价于 as
• -I include/仍是用于指定头文件目录
• main.cpp是要汇编的源文件
• -o main.o用于指定生成的文件名

汇编这一步需要为每一个源文件（本文示例代码中为main.cpp、func.cpp）产生一个目标文件。因此func.cpp也需要执行一次这个汇编过程产生一个func.o文件:

# 可以用 g++ -c 命令一步生成 func.o
g++ -c -I include/ src/func.cpp -o src/func.o
# 当然也可以按照上面的预处理、编译、汇编三个步骤生成func.o
123

到了这一步，代码的文件结构如下：

|—— include
	  |—— func.h
|—— src
	  |—— func.cpp
	  |—— func.o
|—— main.cpp
|—— main.i
|—— main.s
|—— main.o
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3.4链接（Link）

C/C++代码经过汇编之后生成的目标文件(\*.o)并不是最终的可执行二进制文件，而仍是一种中间文件(或称临时文件)，目标文件仍然需要经过链接(Link)才能变成可执行文件。

既然目标文件和可执行文件的格式是一样的（都是二进制格式），为什么还要再链接一次呢？

因为编译只是将我们自己写的代码变成了二进制形式，它还需要和系统组件（比如标准库、动态链接库等）结合起来，这些组件都是程序运行所必须的。

链接（Link）其实就是一个“打包”的过程，它将所有二进制形式的目标文件(.o)和系统组件组合成一个可执行文件。完成链接的过程也需要一个特殊的软件，叫做链接器（Linker）。

此外需要注意的是：C++程序编译的时候其实只识别.cpp文件，每个cpp文件都会分别编译一次，生成一个.o文件。这个时候，链接器除了将目标文件和系统组件组合起来，还需要将编译器生成的多个.o或者.obj文件组合起来，生成最终的可执行文件(Executable file)。

以本文中的代码为例，将func.o和main.o链接成可执行文件main.out，指令如下:

g++ src/func.o main.o -o main.out
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• -o main.out用于指定生成的可执行二进制文件名
• 由于g++自动链接了系统组件，所以我们只需要把自定义函数的目标文件与main.o链接即可。

运行main.out，结果如下：

./main.out
a + b = 3
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3.5小结

从上面的介绍可以看出，从C++源代码到最终的可执行文件的中间过程并不简单。了解预处理、编译、汇编、链接各个步骤的作用有助于我们处理更加复杂的项目工程。

不过也不必被这么麻烦的编译过程劝退，当我们编译简单.cpp代码时，

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

int main(){
	cout << "Hello, world!" << endl;
	return 0;
}
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仍然可以直接使用g++命令生成可执行文件，而不必考虑中间过程：

g++ hello.cpp -o hello
./hello
Hello, world!