编译流程 / 静态与动态库 / 预处理

一、编译的 4 阶段（gcc/clang 内部仍相似）

.cpp --预处理--> .i  --编译--> .s --汇编--> .o --链接--> 可执行/库

阶段	做什么	命令
预处理	展开 #include/#define/#if、处理 #pragma	g++ -E
编译	词法/语法/语义→IR→(优化)→汇编	g++ -S (产出 .s 文本可读)
汇编	.s → 机器码 .o（含符号表/重定位表）	g++ -c
链接	汇集 .o + 库，解析符号→可执行	g++

关键知识点：

• 头文件：预处理把 #include 内容整体插入 → 每个 TU（.cpp 展开后）独立编译。
• 多个 .cpp include 同一头文件 → 每个 TU 各自有一份；inline 函数/模板因此靠“每 TU 定义 + weak symbol”保证不冲突。
• 模板/含实现头文件若到处 include → 编译时间与体积上升（= 增量编译慢的由来，module 想改善）。

二、编译单元（TU）与 ODR

• ODR（One Definition Rule）：程序内每个非 inline 的实体只能有一次定义。inline 函数/变量、模板、类可多 TU 重复，但要一致。
• 由于每 TU 独立编译，跨 TU 的内联/常量传播做不了（这是 LTO 存在的理由，见 optimization）。
• .o 之间只在链接期看到符号，看不到函数体 → 链接顺序/重复符号问题在这里爆发。

三、静态库 vs 动态库

静态库 .a

• 链接时把用到的目标文件<copy 进可执行>, 一次性解决符号；产物自包含、易部署、启动快。
• 缺点：二进制大；库变更需重新链接；多进程各自一份代码副本，内存不共享浪费；热修复难。

动态库 .so（Linux）/ .dll

• 链接期只做符号引用检查/重定位记录，运行时由动态加载器装载映射；多进程共享同一份只读代码与 .rodata（省内存）。
• 优点：升级库不必重编可执行（改 ABI 除外）、节省内存、插件化。
• 缺点：运行时需能找到 so（LD_LIBRARY_PATH/rpath）、启动有加载开销、ABI 兼容风险（换 .so 但结构变了会崩）。

常见题：

• ldd/readelf -d 看依赖动态库；nm/objdump看符号。
• .a/.so 的选择：一次性的自包含小工具 → 静态；多插件/库改造/共享内存 → 动态。

四、链接阶段两类符号处理

1. 已定义（strong）：找到唯一定义即绑定。
2. 未定义引用（undefined reference）：找不到 → 链接错误。
3. 重复定义（multiple definition）：同一 strong 符号多个 .o → 链接错误（inline 变量等例外用 weak）。
4. weak symbol：可被多个定义，链接选 strong，缺失不报错（库特性、模板、弱插件探活使用）。

五、段（section）粗览

• .text:代码；.rodata 只读常量；.data 已初始化全局/static；.bss 未初始化（不占文件但占内存）；.symtab/.rela 符号/重定位。
• 可执行加载地址、虚拟内存布局见 memory/layout。

六、为什么“实现放 .cpp、声明放 .h”是最好的纪律

• 头文件放实现会导致多 TU include 时重复代码/膨胀（除非 inline/模板）。
• 跨 TU 想显式实例化模板：template class MyVec<int>; 在某 .cpp + 头里 extern template 防重复（减少编译+链接体积）。

七、排查工具速记（命令）

• g++ -E/-S/-c：单看各阶段。
• nm -C a.o（-C demangle）看符号；readelf -h/-s/-d；objdump -d 反汇编；ldd 动态依赖；file 看 ELF 类型。