第一章 How C++ Works?
项目：D:Dev:CppSeriesHello World
文章目录- The better C++ Course for primers by the Cherno（个人抄录与注解笔记）
- 前言
- 一、How C++ Works?
- （1）Welcome to C++.
- （2）How C++ Works?
- （2.1）C++总体概述
- （2.2）本节例子
- （2.3）How the C++ Compiler Works?
- （2.3.1）基本概念
- （2.3.2）本节例子
- （2.4）How the C++ linkers Works?
- （2.4.1）基本概念
- （2.4.2）本节例子
- 抄录总结
前言
以下是笔者关于学习The Cherno C++ Course的个人抄录和注解笔记。本文旨在抄录Cherno课程中所涉及的重要和根本知识，并依据个人所掌握的代码理解程度，添加注释说明。Cherno的讲解除了告诉你如何写好，写快C++代码的同时，他还告诉你–当我们在编写C++代码时，编译器背后到底发生了什么。
学而时习之，不亦说乎？
一、How C++ Works?（1）Welcome to C++.
- C++的使用目标对象：当你需要编写高性能代码时（如：编写大型的游戏项目时），那么C++是挺好的选择。当你需要编写一般性能代码时（如：编写工具类的程序），那么C#或者Java都是挺好的选择。（注：使用C++编写的代码其效率不一定比虚拟机语言（如：C#或者Java）更好。例如：当你同样在编写垃圾代码时，虚拟机语言一般对你所写的代码进行优化，但是C++不会。）
- 如果你在学习过程中，善用收索引擎（如：Google，Baidu，BIng）去解决你在学习课程中不理解的地方，同时，如果你对学习C++充满热情，并且真心愿意学习C++，你绝对没有问题的。
- 本课程将讨论如何使用C++库，如何避免C++编程中出现的常见错误，C++自身是如何工作的，如何正确使用指针和内存，如何正确使用模板，如何使用宏为多个平台进行编程，*如何自己编写数据结果，并同时让我们所写的 数据结构比库函数更好用，如何使用编译器内联函数来介绍底层优化，如何使用汇编语言（比如写Map和SSE）等等。
（2.1）C++总体概述
图1-2-1 C++运行工作的流程图。1
使用C++编写程序的简要步骤如下： 2
- 编写源代码：当你使用文本编辑器编写文本内容，并将其保存到文件中，这个文件就是程序的源代码。通常，我们将源代码的后缀拓展名设置为.cpp。
- 编译源代码：这意味着运行一个程序，要求编译器将源代码（如.cpp文件）翻译为主机（如：使用windows64位系统的电脑）使用的内部语言——机器语言。包含了翻译后的程序的文件，就是程序的目标代码（object code）（在windows系统下，目标代码的后缀格式为.obj）。
- 链接目标代码和其他代码，并生产可执行文件：通常，在我们编写C++程序时，都会使用C++标准库（library）。而在C++标准库当中，包含一些列计算机函数的目标代码，这些计算机函数可以帮助我们解决基本的编写任务。同时，链接是指，将目标代码（如：。obj文件）和其他代码一同组合起来，生成最终可执行行的二进制文件（.exe文件）（即，一般生活中，被大众称呼为应用软件。）
（2.2）本节例子
代码如下：
#includeint main() { std::cout << "Hello World!" << std::endl; std::cin.get(); }
注解：
- 预处理指令：#include
被称为预处理指令（任何以#开头的，都是预处理指令）。并且，当编译器接收到一个源文件时，它所处理的第一件事为，预处理你所有的预处理指令（当计算机在处理#include 这样的预处理指令时，该预处理指令发生在真正的编译之前
）。 - "iostream": 在预处理#include
时，iostream文件当中的所有内容都会被黏贴到目前这个main.cpp文件。这里，我们之所以include一个iostream，是因为我们需要函数cout的声明。cout函数使我们能够打印东西到控制台（console）。 - "main":main函数是我们程序的入口点（entry point）（即，当计算机运行我们的程序时，计算机会从main函数里的代码开始执行）。一般地，计算机会一行一行地执行我们地程序。但，有一些东西可以改变或者打破计算机的执行顺序。如：控制流语句（control flow statements）或者调用其他函数。 所以，本节程序第一个被执行的语句时std::cout << "Hello World!" << std::endl;然后是std::cin.get();。
- “返回值”：对于熟悉函数的同学，你们可能会注意到，main函数的返回类型其实是整型（int）。然而此处我们并没有返回值，这是因为main函数是个例外，你不需要从主函数返回任何类型的值，如果你不返回任何值，main函数会返回0，请记住，这只使用于main函数。
- std::cout << "Hello World!" << std::endl;这一语句，对于初学C++同学来说，可能看起来非常奇怪，但其实写成这样是非常不幸的，因为你第一次看它的时候确实看不出来意思。首先，这些向左的带角的括号<<，看起来有点像左位移符号（bit shift），其实是被重载的符号，你得把它看作一个函数。但实际上，运算符就是函数。 所以，我们在这边做的就是，我们把"Hello World!"字符串传入cout中，而cout帮助我们把它打印在控制台上。然后，我们传入一个endl（end line）。endl会告诉我们的控制台前进到另一行。
- cin.get();在这种情况下，其实就是等待我们输入回车键，然后才会接着执行下一行代码。（一般地，最后使用cin.get();语句，可以使控制台不立即关闭。）当然，我们底下一行什么也没有，所以我们的程序会在cin.get(); 这一行暂停，知道我们按下回车键。最后，当我们在这一行按下回车键时，main函数会返回0，说明我们的程序运行成功了。
（2.3.1）基本概念
- 问题引出：在开始学习C++是如何编译源代码时，让我们退后一步，想象一下大的蓝图是什么，C++编译器到底负责什么。
- 分析：我们使用文本编辑器编写关于C++的文本内容，就是文本（text）而已。我们需要某种方法将文本（text）转化成应用，从而在计算机运行。从text到可执行二进制文件(.exe)，基本有两个主要操作发生者，一个是Compiler，另一个是linker。 本小节回答Compiler。C++编译器要做的工作就是把text转变为中继格式Object Files，然后Object Files会传入linker，linker会进行linking工作。简言之，当我们在讨论Compiler编译产出这些Object Files时，其实Compiler还进行其他几件工作。以下为Compiler进行的具体工作。
- 预处理阶段：首先，Compiler会预处理（pre-process）我们编写的代码，也就是所有的预处理指令（如：#include
）会在此时被评估。 - 标记和解析阶段：其次，Compiler在进行预处理操作之后，它会进入标记（tokenizing）和解析（parsing）阶段。该阶段把我们所编写的C++文本（text），处理成Compiler能懂和处理的语言，即抽象语法树（abstract syntax tree）。 所以，Compiler把我们编写的代码文本（text）转化成常数数据（constant data）或者转化成指令（instruction）。当Compiler创建了一颗抽象语法树后，就可以产生代码了，该代码才是真正CPU可以执行的机器码。
- 总结：
图1-2-2 Compiler工作的流程图。
当Compiler生成抽象语法树之后，我们也会得到一些其他数据，比如某个地方存储着我们所有的常数变量（constant variavles）。以上就是Compiler的基本工作内容，不是非常复杂。当然你的代码越来越复杂，它也越来越复杂。
（2.3.2）本节例子
代码如下：
main.cpp：
#includevoid log(const char* message); int main() { log("Hello World!"); std::cin.get(); }
log.cpp：
#includevoid log(const char* message) { std::cout << message << std::endl; }
- 结果：如果我们进入output目录debug下，你可以看到它生成了一个.exe。
而我们回到项目目录下，你可以看到它生成了main.obj，log.obj。
综上所述，Compiler给每个.cpp，也就是每个translation unity（编译单元），生成了.obj。本质上，你得意识到C++根本不在乎文件。文件这种东西在C++中不存在。 For example，在Java，你的类（class）名必须跟文件名相同，而你的文件夹结构也得跟package一样。之所以如此，是因为Java（虚拟机语言）需要某些文件存在；而C++完全不是这回事。C++没有文件这种东西。在C++中，文件只是用来个Compiler提供源码的某种方法。 你只需要告诉Compiler文件类型和编译器如何处理它。 例如，我可以新建一个.cherno文件让Compiler去编译，完全没有问题。
只要我告诉Compiler这是个C++文件，请按C++编译。你最好记住，在C++中，文件不代表任何东西，请记住，这非常重要。 （接下来Cherno还有一段十分钟的例子解析，并通过汇编语言，从底层展示编译器如何进行预处理，以及我们该如何从预处理角度优化我们编写的代码，由于笔者笔力有限，如果阅读到此处，笔者建议读者最好再观看Cherno关于How the C++ Compiler Works的解析。） - 总结：Compiler（这里指代C++编译器）根据我们提供的源代码文件（source file），生成目标文件（Object File）。目标文件（Object File）是由机器码构成的二进制文件。
（2.4）How the C++ linkers Works?
（2.4.1）基本概念
- 问题引出：So what is linking? What does the C++ linkers actually do?
- 分析：linking是编译源代码后的下一个执行阶段。一旦我们编译了文件，我们接下来需要一个链接（linking）的过程。linking的主要工作是找到每个符号和函数的位置，并将它们链接在一起。又由上一小节有，每个文件被编译成一个独立的.obj文件作为translation unity（编译单元）。实际上，这些编译单元（translation unity）没法沟通。如果，我们决定将程序写在多个C++文件的话，我们需要一种方法将这些文件链接到一个程序。 以上就是linker的主要目的。即使你没有外部文件中的函数，比如说，你已经将整个程序写在一个文件里了，应用程序仍然需要知道entry point（入口点）（即，main函数）在哪里。
（2.4.2）本节例子
代码如下：
math.cpp：
#includevoid log(const char* message) { std::cout << message << std::endl; } int Multiply(int a, int b) { log("multiply"); return a * b; }
-
分析：在此处，我们有两个函数log和multiply。multiply函数实际上调用了log函数，打印出multiply这个单词到控制台，然后返回a*b，该函数非常的简单。然而，这并不是一个实际的应用。因为，显然它不包含main函数。
你要意识到的第一件事情是，代码运行前有两个阶段——One is Compiling, the other is linking。以下是区分Compiling和linking的方法。 -
区分Compiling和linking的方法：如果你在VS下按下了Ctrl+F7，或者你按下了编译按钮，只有Compling会发生，而linking则完全不会发生。
然而，如果你build了你的项目，或者你按下了F5键，它会先Compling，然后再linking。 -
对上述代码按下Crtl+F7时：你会发现一切都Ok，因为Compiling成功了。
它产生了相应的math.obj文件，即（Object File），一切似乎都很好。然而，如果右击我的项目，并按下build，你会发现你实际上得到了一个linking Error：入口点必须被定义。
- 本节简要介绍了How C++ Works？
- 关于How the C++ Compiler Works? How the C++ linkers Works?的具体细节，还请观看Cherno的视频讲解。
- 其中如何区分Compiling Error和linkers Error是Cherno所讲述的重点内容，这对于初学者而言，是重要的间接经验。若果你有幸阅读到这里，请务必回看How the C++ linkers Works？这部分视频。
- 在下一章节，我们将关注C++当中如何更好地使用变量参数。
C++ Primer Plus（第6版 中文版 图1.3 编程步骤） ↩︎
C++ Primer Plus（第6版 中文版 段落1.4 程序创建的技巧） ↩︎
