Лекции

https://github.com/mtrempoltsev/made_2019

Препроцессор, компилятор, компоновщик

Процесс трансляции исходного кода в виде текстового файла в представление, которое может быть выполнено процессором - сборка.

Состоит из 3 этапов:

Обработка исходного кода препроцессором (preprocessing)
Компиляция, то есть перевод подготовленного исходного кода в инструкции процессора (объектный файл) (compiling)
Компоновка - сборка одного или нескольких объектных файлов в один исполняемый файл (linking)

square.cpp

int square(int value)
{
    return value * value;
}

Это файл с исходным кодом, он содержит определения функций.

Компилируются cpp/c/etc файлы, один файл с исходным кодом - один объектный файл. Это называется единица трансляции.

Удобный инструмент: https://godbolt.org

g++ -c square.cpp

Вывод:

square.o

objdump -d square.o

square.o:     file format elf64-x86-64

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <_Z6squarei>:
   0:  55                     push   %rbp
   1:  48 89 e5               mov    %rsp,%rbp
   4:  89 7d fc               mov    %edi,-0x4(%rbp)
   7:  8b 45 fc               mov    -0x4(%rbp),%eax
   a:  0f af 45 fc            imul   -0x4(%rbp),%eax
   e:  5d                     pop    %rbp
   f:  c3                     retq

Секции

Блоки данных в откомпилированном файле. Это может быть:

Код (.text)
Статические данные (.data)
Таблицы строк
Таблицы символов (.symtab)

Символы

То, что находится в объектном файле - кортежи из имени, адреса и свойств:

Имя - произвольная строка
Адрес - число (смещение, адрес)
Свойства

Декорирование (mangling)

В С++ есть перегрузка функций (а еще есть классы), поэтому нужен механизм, чтобы различать перегруженные функции.

void print(int value); // _Z5printi
void print(const char* value); // _Z5printPKc

Инструмент для обратного преобразования:

c++filt _Z5printPKc

print(char const*)

extern "C"

extern "C"
{
    void print(int value); // print
}

main.cpp

int square(int value);

int main()
{
    return square(2);
}

objdump -d -r main.o

0000000000000000 <main>:
   0:  55                     push   %rbp
   1:  48 89 e5               mov    %rsp,%rbp
   4:  bf 02 00 00 00         mov    $0x2,%edi
   9:  e8 00 00 00 00         callq  e <main+0xe>
      a: R_X86_64_PC32  _Z6squarei-0x4
   e:  5d                     pop    %rbp
   f:  c3                     retq

-r - информация о релокациях

Символы

Символ - кортеж из имени, адреса и свойств:

Имя - произвольная строка
Адрес - число (смещение, адрес)
Свойства

Связывание (binding) - говорит о том, виден ли символ вне файла:

Локальный символ
Глобальный символ
Внешний символ

Смотрим таблицу символов:

objdump -t square.o

Вывод:

square.o:     file format elf64-x86-64

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 l    df *ABS*  0000000000000000 square.cpp
0000000000000000 l    d  .text  0000000000000000 .text
0000000000000000 l    d  .data  0000000000000000 .data
0000000000000000 l    d  .bss  0000000000000000 .bss
0000000000000000 l    d  .note.GNU-stack  0000000000000000 .note.GNU-stack
0000000000000000 l    d  .eh_frame  0000000000000000 .eh_frame
0000000000000000 l    d  .comment  0000000000000000 .comment
0000000000000000 g     F .text  0000000000000010 _Z6squarei

Первая колонка - связывание:

l - локальное
g - глобальное
пробел - ни один из вариантов

Седьмая колонка - тип, если стоит F - значит это функция.

readelf -s square.o

Symbol table '.symtab' contains 9 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS square.cpp
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    2 
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     5: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
     7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
     8: 0000000000000000    16 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 _Z6squarei

objdump -t main.o

main.o:     file format elf64-x86-64

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 l    df *ABS*  0000000000000000 main.cpp
0000000000000000 l    d  .text  0000000000000000 .text
0000000000000000 l    d  .data  0000000000000000 .data
0000000000000000 l    d  .bss  0000000000000000 .bss
0000000000000000 l    d  .note.GNU-stack  0000000000000000 .note.GNU-stack
0000000000000000 l    d  .eh_frame  0000000000000000 .eh_frame
0000000000000000 l    d  .comment  0000000000000000 .comment
0000000000000000 g     F .text  0000000000000010 main
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 _Z6squarei

readelf -s main.o

Symbol table '.symtab' contains 10 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS main.cpp
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
     5: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
     6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
     7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     8: 0000000000000000    16 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
     9: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND _Z6squarei

main.cpp

int square(int value);

int main()
{
    return square(2);
}

square.h

int square(int value);

Это заголовочный файл, как правило в нем находятся объявления типов и функций.

main.cpp

#include "square.h"

int main()
{
    return square(2);
}

Препроцессор

g++ -E main.cpp

Вывод:

# 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"
# 1 "square.h" 1
int square(int value);
# 2 "main.cpp" 2

int main()
{
    return square(2);
}

Директивы препроцессора:

#include "name" - целиком вставляет файл с именем name, вставляемый файл также обрабатывается препроцессором. Поиск файла происходит в директории с файлом, из которого происходит включение
#include <name> - аналогично предыдущей директиве, но поиск производится в глобальных директориях и директориях, указанных с помощью ключа -I
#define x y - вместо x подставляет y

define - это опасно

#define true false // happy debugging
#define true !!(rand() % 2)

Условная компиляция

g++ -DDEBUG main.cpp

#define DEBUG
#ifdef DEBUG
    ...
#else
    ...
#endif

Компиляция

g++ -c main.cpp

В результате мы имеем 2 файла:

main.o
square.o

Компоновка

g++ -o my_prog main.o square.o

Вывод:

my_prog

./my_prog
echo $?
4

Компоновщик собирает из одного и более объектных файлов исполняемый файл.

Что g++ делает под капотом

g++ -o my_prog -v main.cpp square.cpp

Вывод:

...

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/cc1plus 
    main.cpp -o /tmp/ccjBvzkg.s

...

as -v --64 -o /tmp/ccM2mLyf.o /tmp/ccjBvzkg.s

...

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/cc1plus 
    square.cpp -o /tmp/ccjBvzkg.s

...

as -v --64 -o /tmp/cc3ZpAQe.o /tmp/ccjBvzkg.s

...

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5/collect2 
    /tmp/ccM2mLyf.o /tmp/cc3ZpAQe.o 
    -lstdc++ -lm -lgcc_s -lgcc -lc -lgcc_s -lgcc

Оптимизация

main.cpp

int square(int value)
{
    return value * value;
}

int main()
{
    return square(2);
}

g++ -c main.cpp
objdump -d main.o

0000000000000010 <main>:
  10:  55                     push   %rbp
  11:  48 89 e5               mov    %rsp,%rbp
  14:  bf 02 00 00 00         mov    $0x2,%edi
  19:  e8 00 00 00 00         callq  1e <main+0xe>
  1e:  5d                     pop    %rbp
  1f:  c3                     retq

g++ -O2 -c main.cpp
objdump -d main.o

0000000000000000 <main>:
   0:  b8 04 00 00 00         mov    $0x4,%eax
   5:  c3                     retq

Статические библиотеки

ar rc libsquare.a squre.o

Вывод:

libsquare.a

В unix принято, что статические библиотеки имеют префикс lib и расширение .a

g++ -o my_prog main.o -L. -lsquare

-L - путь в котором компоновщик будет искать библиотеки -l - имя библиотеки

Статические библиотеки нужны только при сборке

Ошибки при сборке

Компиляции
Компоновки

Ошибки компоновки

Компоновщик не может найти символ

g++ -c math.cpp
g++ -o my_prog main.o

main.o: In function `main':
main.cpp:(.text+0xa): undefined reference to `square(int)'
collect2: error: ld returned 1 exit status

Что делать?

Включить необходимый файл в сборку, если нет определения символа - написать его, проверить, что файлы созданы одинаковой версией компилятора и с одними опциями компиляции.

Символ встретился несколько раз - компоновщик не знает какую версию выбрать

math.cpp

int square(int value)
{
    return value * value;
}

g++ -c math.cpp
g++ -o my_prog main.o square.o math.o

math.o: In function `square(int)':
math.cpp:(.text+0x0): multiple definition of `square(int)'
square.o:square.cpp:(.text+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status

Что делать?

Убрать неоднозначность: переименовать одну из функций, поместить в другое пространство имен, изменить видимость и т.д.

Защита от повторного включения

buffer.h

class Buffer
{
    ...
};

text_processor.h

#include "buffer.h"
...

main.cpp

#include "buffer.h"
#include "text_processor.h"

В одной единице трансляции два объявления класса Buffer, компилятор не знает какое использовать.

buffer.h

#ifndef BUFFER_H
#define BUFFER_H

class Buffer
{
    ...
};

#endif

Или просто #pragma once

Циклическое включение

a.h

#include "b.h"

class A
{
    B* b;
};

b.h

#include "a.h"

class B
{
    A* a;
};

Предварительное объявление (forward declarations)

a.h

class B;

class A
{
    B* b;
};

a.cpp

#include "b.h"
#include "a.h"

...

b.h

class A;

class B
{
    A* a;
};

make

Утилита для автоматизации.

Синтаксис:

цель: зависимости
[tab] команда

Скрипт как правило находится в файле с именем Makefile.

Вызов:

make цель

Цель all вызывается, если явно не указать цель:

make

Плохой вариант

Makefile

CC=g++

all: my_prog

my_prog: main.cpp square.cpp square.h 
    $(CC) -o my_prog main.cpp square.cpp

clean:
    rm -rf *.o my_prog

Хороший вариант

Makefile

CC=g++

all: my_prog

my_prog: main.o square.o 
    $(CC) -o my_prog main.o square.o

main.o: main.cpp square.h
    $(CC) -c main.cpp

square.o: square.cpp square.h
    $(CC) -c square.cpp

clean:
    rm -rf *.o my_prog

Требования к домашним заданиям

В вашем github должен быть репозиторий made_2019_cpp
Внутри репозитория должны быть директории из двух цифр, вида: 01, 02 и т.д. - это номера домашних заданий
Внутри каждой директории могут быть любые файлы реализующие задачу. Обязательным является только файл Makefile
В Makefile обязательно должны быть цели test и run. run запускает бинарный файл с домашним заданием, test запускает тесты вашего решения
Собираться ваш код должен компилятором С++ поддерживающим 14 стандарт
Внешних зависимостей быть не должно

Практическая часть

Используя метод рекурсивного спуска, написать калькулятор. Поддерживаемые операции:

умножение
деление
сложение
вычитание
унарный минус

Для вычислений использовать тип int, приоритет операций стандартный. Передача выражения осуществляется через аргумент командной строки, поступаемые числа целые, результат выводится в cout. Пример:

calc "2 + 3 * 4 - -2"

Вывод:

Должна быть обработка ошибок, в случае некорректного выражения выводить в консоль ошибку и возвращать код отличный от 0. Тесты обязательны.

EOF

Files

01.compilation.md

Latest commit

History

01.compilation.md

File metadata and controls

Лекции

Рекомендуемая литература

Начальный уровень

Брюс Эккель, Философия С++

Продвинутый уровень

Из относительно свежего

Препроцессор, компилятор, компоновщик

square.cpp

Секции

Символы

Декорирование (mangling)

extern "C"

main.cpp

Символы

main.cpp

square.h

main.cpp

Препроцессор

Условная компиляция

Компиляция

Компоновка

Что g++ делает под капотом

Оптимизация

main.cpp

Статические библиотеки

Ошибки при сборке

Ошибки компоновки

Компоновщик не может найти символ

Что делать?

Символ встретился несколько раз - компоновщик не знает какую версию выбрать

math.cpp

Что делать?

Рекомендуемое разделение на заголовочные файлы и файлы с реализацией

a.h

a.cpp

Защита от повторного включения

buffer.h

text_processor.h

main.cpp

buffer.h

Циклическое включение

a.h

b.h

Предварительное объявление (forward declarations)

a.h

a.cpp

b.h

make

Плохой вариант

Makefile

Хороший вариант

Makefile

Требования к домашним заданиям

Практическая часть