【C++】 探索程序 详细解读程序在运行过程中都发生了什么

news2024/10/5 17:26:52

目录

头文件-源代码

头文件重复包含

问题

解决方案

程序生成过程

预处理Preprocessi

编译Compilation

汇编Assembly

链接Linking

编译期-运行期

 编译期确定

运行期确定

编译期错误

运行期错误

类和对象

宏

宏的其他用法

inline内联

头文件-源代码

头文件（.h）和源文件（.cpp）两者的区别：

  1. 默认情况下，头文件不参与编译，而每个源文件自上而下独立编译。
  2. 通常我们将声明的变量、类型、函数、宏、结构体和类的定义等放于头文件（.h文件），将变量的定义初始化、函数的定义实现放于源文件中，这样方便于我们去管理、规划，更重要的是避免了重定义的问题。

 正常变量的声明与定义

//test.h
extern int b;   //变量的声明
//test.cpp
int b = 1;

注意：变量不要在头文件中直接定义

正常函数的声明与定义

//test.h
void fun(int );   //声明
//test.cpp
void fun(int a) {
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

类中的成员函数在对应的源文件中定义时，一定要加上类名作用域。

//test.h
class CTest{
public:
    void fun();
};
//test.cpp
void CTest::fun(){
 	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

类中普通成员属性和const成员属性在构造函数中的初始化参数列表进行初始化定义，而静态成员属性要在源文件中单独定义。

//test.h
class CTest {
public:
	int m_a;
	static int m_b;
	const int m_c;


	CTest(); //只声明
	~CTest();
};
//test.cpp
int CTest::m_b = 5;

//类成员函数在类外定义，需要在函数名前加上类名作用域
CTest::CTest():m_a(4) ,m_c(6){
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}
CTest::~CTest() {
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

常函数的声明与定义（保留const关键字）

//test.h
	void funConst() const;

//test.cpp
//关键字需要保留
void CTest::funConst(/* const CTest* const this */) const {
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

静态成员函数的声明与定义（去掉static关键字）

//test.h
	static void funStatic();
//test.cpp
void CTest::funStatic() { //去掉static 关键字
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

虚函数的声明与定义（去掉virtual关键字）

//test.h
	virtual void funVirtual();
//test.cpp
//去掉 virtual关键字
void CTest::funVirtual() {
	cout << __FUNCTION__ << endl;
}

纯虚函数（不需要实现）

//test.h
virtual void fun() = 0;

头文件重复包含

问题

如果在一个头文件中创建一个类，然后另外两个头文件又都用到了这个头文件，在源文件中使用了另外两个头文件，那么第一个头文件中的类就会被创建两次，会出现重定义的错误。

//AA.h
class AA {
public:
	int m_a = 0;
};
//BB.h
#include"AA.h"

class BB {
public:
	AA m_aa;
};
//CC.h
#include"AA.h"

class CC {
public:
	AA m_aa;
};

在源文件中使用BB和CC两个头文件打开后就是这样：

class AA {
public:
	int m_a = 0;
};

class BB {
public:
	AA m_aa;
};


class AA {
public:
	int m_a = 0;
};

class CC {
public:
	AA m_aa;
};

那么这种现象就称为头文件重复包含

解决方案

解决头文件重复包含问题有两种方法：

  1. #pragma once    ：  告诉编译器，当前的头文件在其他的源文件中只包含一次
  2. 宏逻辑判断（#ifndef #define #endif）

对比：

  • #pragma once直接告诉编译器这个文件在源文件中只包含一次，相对来说效率比较高。
  • 基于宏逻辑判断，在大量头文件时，编译速度降低，耗时增加。而且需要考虑宏重名的问题，一般情况下宏的名字与当前文件名对应，但时并不能保证一定不重名，如果不同路径下存在相同的文件，也可能会重复。

程序生成过程

预处理Preprocessi

将原文件（.cpp）初步处理，生成预处理文件（.i）：

  1. 解析#include头文件展开替换。
  2. 宏定义指令：#define宏的替换，#undef等。
  3. 预处理指令：解析#if、#ifndef、#ifdef、#else、#elif、#endif等。
  4. 删除所有注释。 

编译Compilation

将预处理后的文件（.i）进行一系列词法分析、语法分析、语义分析及优化，产生相应的汇编代码文件（.asm）。

汇编Assembly

将编译后的汇编代码文件（.asm）汇编指令逐条翻译成目标机器指令，并生成可重定位目标程序的.obj文件，该文件为二进制文件，字节编码是机器指令。

链接Linking

通过链接器将多个目标文件（.obj）和库文件链接在一起生成一个完整的可执行程序。

编译期-运行期

编译期：是指把源程序交给编译器编译、生成的过程，最终得到可执行文件。

运行期：是指将可执行文件交给操作系统执行、直到程序退出，把在磁盘中的程序二进制代码放到内存中执行起来，执行的目的是为了实现程序的功能。

 编译期确定

#ifdef __cplusplus

#define A 1

#else
#define A 2

#endif

	int a = A; //编译期确定
	cout << a << endl;  //1

运行期确定

	int b = 0;
	cin >> b;

	if (b) {
		b = 10;
	}
	else {
		b = 20;
	}

	int c = b; //运行期确定
	cout << c << endl;

编译期错误

	int len = 10;
	int arr[len];  //编译期错误

表达式的计算结果不是常数，编译期分配内存，因为必须要确定len的大小，但它是变量在编译期无法确定其具体值。

运行期错误

    int len1 = 0;
	cin >> len1;
	int* p = new int[len1];  //运行期

	//p[100] = 10; //数组越界:运行期错误

程序崩溃：数组越界，在编译期是检查不出来的，在真正运行时可能会报错。

类和对象

类：编译期的概念，包括：类成员函数、静态属性，作用域  访问修饰符

对象：运行期的概念实例，引用，指针

class CFather {
public:
	virtual void fun() {
		cout << "CFather::fun" << endl;
	}
};

class CSon :public CFather {
private: //编译期的限制
	virtual void fun() {
		cout << "CSon::fun" << endl;
	}
};
	CFather* pFa = new CSon;

	pFa->fun();   //Cson::fun

编译器在检查代码时，他认为pFa->fun()调用的是父类中public属性的函数，那自然是通过编译的。但是在运行期时由于多态的作用，结果调用的是子类的fun函数，即使子类的fun函数是private但由于访问修饰符是编译期的限制，所以在运行时无效，子列的fun函数自然也能调用。

宏

宏起到替换作用（预处理阶段），一般写法：

#define A 10

一个标识符被宏定义后，在用到宏A的地方替换为10，再程序编译前预处理阶段进行替换，替换后才进行编译。

宏是可以传参数的，在宏名字后面加(PARAM)，参数的作用也是一个替换。

#define N(PARAM) int a = PARAM;

一般情况下，宏替换当前这一行的内容，替换多行可以使用\这个字符

作用：用来连接当前行和下一行。

注意：一般最后一行不加\，\后面不能有任何字符，包括空格、tab、注释等。

#define B\
	for (int i = 0; i < A; i++){\
		cout << i << "  ";\
	}

使用宏替换需要注意，宏及参数并不会像函数参数一样自动计算，也不做表达式求解，它只是单纯的复制粘贴。

#define N 2+3
int a = N*2; //2+3*2

可以加上()来解决

#define N (2+3)
int a = N*2; //(2+3)*2

#undef宏：取消宏定义，限制宏的作用范围

#define AB 10
	cout << AB << endl;
#undef AB  //取消宏定义

	int AB = 20;
	cout << AB << endl;

优点

  1. 使用宏可以替换在程序中经常使用的常量或表达式，在后期程序维护时，不用对整个程序进行修改，只需要维护、修改一份宏定义的内容即可。
  2. 宏在一定程度上可以代替简单的函数，这样就省去了调用函数的各种开销，提高程序的运行效率。

缺点

  1. 不方便调试。
  2. 没有类型安全的检查
  3. 对带参的宏而言，由于是直接替换，并不会检查参数是否合法，也并不会计算求解，存在一定的安全隐患。

宏的其他用法

我们先来创建三个重载函数用以测试

void fun(int a) {
	cout << __FUNCSIG__ << "  " << a << endl;
}

void fun(const char* p) {
	cout << __FUNCSIG__ << "  " << p << endl;
}

void fun(char c) {
	cout << __FUNCSIG__ << "  " << c << endl;
}

# 将宏参数转为字符串，相当于加了 双引号

#define D(PARAM) #PARAM
	fun(D(123));
	fun(D("abc"));

 #@ 将宏参数转为字符，相当于加了 单引号

#define E(PARAM) #@PARAM
	fun(E(1));

 ## 拼接作用，常用于宏参数与其他内容的拼接

#define F(PARAM) int a##PARAM = 100;
	F(1)
		cout << a1 << endl;

inline内联

内联函数是C++为了提高程序的运行速度做的一项改进，普通函数和内联函数主要区别不在于编写方式，而在于C++编译器如何将他们组合到程序中的。编译器将使用相应的函数代码替换到内联函数的调用处，所以程序无需跳转到另一个位置执行函数体代码，所以会比普通的函数稍快，代价是需要占用更多的内存，空间换时间的做法。

执行函数之前需要做一些准备工作i，要将实参、局部变量、返回地址以及若干寄存器都压入栈中，然后才能执行函数体中的代码，代码执行完毕后还要将之前压入栈中的数据都出栈。这个过程涉及到空间和时间的开销问题，如果函数体中的代码比较多，逻辑也比较复杂，那么执行函数体占用大部分时间，而函数调用、释放空间过程花费的时间占比很小可以忽略；如果函数体中的代码非常少，逻辑也非常简单，那么相比于函数体代码的执行时间，函数调用机制所花费的时间就不能忽略了。

int add(int a,int b){
    return a+b;
}
int c = add(1,2);

 所以为了消除函数调用的时间开销，C++提供一种提高效率的方法：inline函数，上例中的add函数可以变为内联函数，如下，内联函数在编译时将函数调用处用函数体替换（类似于宏）。

inline int add(int a, int b) {
	return a + b;
}
int c = add(1,2);

 注意：

  1. inline是一种空间换时间的做法，内联在一定程度上能提高函数的执行效率，这并不意味着所有函数都要成为内联函数，如果函数调用的开销时间远小于函数体代码执行的时间，那么效率提高的并不多，如果该函数被大量调用时，每一处调用都会复制一份函数体代码，那么将占用更多的内存，得不偿失。所以一般函数体代码比较长，函数体出现内循环（for、while），switch等不应为内联函数。
  2. 并非我们加上inline关键字，编译器就一定会把它当作内联函数进行替换。定义inline函数只是程序员对编译器提出的一个建议，而不是强制性的，编译器有自己的判断能力，他会根据具体的情况决定是否把它认为是内联函数。编译器不会把虚函数、递归函数视为内联函数。
  3. 类、结构中在的类内部声明并定义的函数默认为内联函数，如果类中只给出声明，在类外定义的函数，那么默认不是内联函数，除非我们手动加上inline关键字。
class CTest{
    void fun1(){}  //默认内联
    void fun2();   //声明
};
void CTest::fun2(){}  //默认不是内联函数
CTest tst;
tst.fun1();  //内联替换
tst.fun2();  //未替换
void fun1(){
    int a =10;
}
void fun2(){
    int b= 20;
}

int main(){
    fun1();
    fun2();
    return 0;
}

汇编文件如下：

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