编译、链接、静态库、动态库
1.前言
在课堂中，我们运行一个C++程序的步骤通常是这样的：在文件中写好程序，然后点击“调试”或者“执行(不调试)”，一个黑色的方框就会弹出来。
实际上，从C++源代码文件到可执行文件的过程是十分复杂的，Visual Studio等现代化的IDE（Integrated Development Environment，集成开发环境）掩盖了程序构建的复杂流程。本节我们就以Linux平台上的C++程序为例，简略介绍C++工程中的一些概念。
2.从.cpp到.exe —— C/C++程序的构建过程
C/C++程序生成一个可执行文件的过程可以分为4个步骤： 预处理（Preprocessing）、编译（Compiling）、汇编（Assembly）和链接（Linking） 。
- 预处理：在编译器处理程序之前完成头文件的包含，宏扩展，条件编译，行控制等操作。
- 编译：通过词法分析和语法分析，在确认所有的指令都符合语法规则之后，将源文件代码翻译成等价的汇编代码。
- 汇编：将汇编语言代码翻译成目标机器指令，生成目标文件。
- 链接：将有关联的目标文件（以及库）相组合为一个可执行文件。
接下来，我们将通过演示实例介绍每一步发生的故事。
2-0.编译工具
针对不同的应用场景和平台，各大厂家设计了不同的C++编译工具。
- MSVC（Microsoft Visual C++）：MSVC是微软公司开发的C++开发工具，Visual Studio就内置了MSVC。
- GCC（GNU Compiler Collection）：GCC是由GNU（GNU's Not Unix）开发的一套编译工具，支持C、C++、Fortran、Go等一系列语言。本教程中我们使用的编译工具就是GCC。
GCC提供给用户的前端程序为 gcc （针对C）和 g++ （针对C++）。它们的区别详见gcc vs g++。
在Linux(Ubuntu)平台上，可以使用以下指令安装上述工具：
sudo apt install gcc g++
此外还有Clang、NVCC等编译工具。不同的编译工具对C++的支持不尽然相同，此处不再赘述。
2-1.预处理
C++程序在预处理阶段会执行以下操作：宏的替换、头文件的插入、删除条件编译中不满足条件的部分。
g++ –E invsqrt.cpp –o invsqrt.i
2-2.编译
C++程序在编译阶段会将C++文件转换为汇编文件。
# from .i file
g++ –S invsqrt.i –o invsqrt.s
# from .cpp file
g++ –S invsqrt.cpp –o invsqrt.s
2-3.汇编
汇编语言文件经过汇编，生成目标文件.o文件（二进制文件，机器码），每一个源文件都对应一个目标文件。
# from .s file
g++ –c invsqrt.s –o invsqrt.o
# from .cpp file
g++ –c invsqrt.cpp –o invsqrt.o
g++ -c main.cpp -o main.o
生成的invsqrt.o 和main.o 文件不能直接打开，你可以使用 readelf -a file 阅读其信息。
2-4.链接
将每个源文件对应的目标.o文件链接起来，就生成一个可执行程序文件。
g++ invsqrt.o main.o -o main
当然，如果想要使用.cpp文件一步到位生成可执行文件，可以使用以下指令：
g++ invsqrt.cpp main.cpp -o main
在Linux系统，可执行文件一般是没有后缀名的。
2-5.语法总结
g++ 和gcc 工具中使用的一些命令行参数：
- -E 只进行预处理
- -S 只进行编译
- -c 只生成目标文件
- -o file 指定输出文件的名称。我们约定：.i 为预处理后的文件，.s 为汇编文件，.o 为目标文件。
3.静态库和动态库
出于便于复用、封装细节或防止源码泄露等原因，在实际应用过程中，我们需要把C++源码封装为库(library)。
根据其行为不同，可以将库分为静态库(static library)和动态库(shared library)。
3-1.静态库
静态库的代码在编译的过程中，会被直接载入到可执行文件中。这样做的好处是：可执行文件在执行时，不再需要静态库本身。但缺点也显而易见：生成的可执行文件的体积会比较大。
Linux平台下静态库的后缀通常为 .a ，命名方式通常为 libxxx.a ; Windows平台下静态库的后缀通常为 .lib 。
在Linux平台上生成静态库，并使用静态库链接形成可执行文件的方法为：
# generate static lib
ar crv libinvsqrt.a invsqrt.o
# link to generate the executable file
g++ -static main.cpp -L . -linvsqrt -o main_shared
3-2.动态库
动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入。这就带来了一个明显的好处：不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例，减小了各个模块之间的耦合程度，也减小了可执行文件的体积。然而，这也要求用户的电脑上需要同时拥有可执行文件和动态库，也有可能因为版本不匹配等问题发生DLL Hell等问题。
Linux平台下动态库的后缀通常为 .so ，命名方式通常为 libxxx.so ; Windows平台下静态库的后缀通常为 .dll 。
在Linux平台上生成动态库，并使用动态库链接形成可执行文件的方法为：
# generate shared lib
g++ invsqrt.cpp -I ./ -fPIC -shared -o libinvsqrt.so
# move the shared library to system
sudo mv libinvsqrt.so /usr/local/lib
# refresh
sudo ldconfig
# link to generate the executable file
g++ main.cpp -L . -linvsqrt -o main_shared.exe
4.最后
在本节中，我们只介绍了如何在Linux平台上生成和使用静态库、动态库。实际上，利用Visual Studio也可以便捷地在Windows平台上生成静态库、动态库。
感兴趣的同学可参考以下：