C++ 编译与运行过程

平时我们在终端里执行一条 g++ 命令，短短一秒钟就能把 .cpp 源代码变成可以直接运行的 .exe 程序。那么在这条命令背后，计算机到底经历了哪几个步骤呢？

由于计算机底层只认识由 0 和 1 组成的机器指令，我们编写的 hello.cpp 只是一份纯文本文件。它必须先经过 “编译” 生成目标文件，再经过 “链接” 组装成可执行程序，最后才能真正运行起来，整体流程如下图所示。

C++ 编译与运行的 4 个步骤

前面配置本地开发环境时，我们已经创建过一份 hello.cpp 代码。为了看清编译命令背后到底发生了什么，下面我们以它为例，把整个加工过程拆成 4 个步骤来一步步看看。

1. 编写源文件（.cpp）

我们亲手创建并保存的 hello.cpp 就是源文件，里面的代码如下：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, C++!";
    return 0;
}

源文件里面保存的是纯文本格式的 C++ 代码，不管是使用 VSCode，还是使用系统自带的记事本，都能直接打开查看。需要注意的是，此时的 hello.cpp 仅仅是一份代码草稿，计算机还不能直接运行它。

2. 编译生成目标文件（.o）

写好源文件后，第一步是交给编译器处理。编译器会逐行检查代码的语法和数据类型是否正确。如果检查通过，就会把我们编写的源代码翻译成二进制格式的 “目标文件”。

在 VSCode 终端中，我们可以加上 -c 参数，表示 “只编译、不链接”，单独执行编译这一步。这里的 “c” 就是 “compile（编译）” 的首字母：

g++ -std=c++20 -c hello.cpp -o hello.o

执行完上面这条命令后，我们可以看到左侧文件列表里除了原本的 hello.cpp 之外，还多出了一个 hello.o 文件。

这个 hello.o 就是编译生成的目标文件。使用 GCC 编译器时它的后缀是 .o，使用 Visual Studio 的 MSVC 编译器时后缀则是 .obj。它里面存放的已经不再是文本代码，而是机器指令片段，但此时还不能独立运行。

3. 链接生成可执行程序（.exe）

为什么 hello.o 已经是机器指令了，却还不能直接运行呢？

回头看 hello.cpp 的代码：我们自己只写了 main() 函数，却直接调用了标准库的 std::cout 来打印文字。编译生成的 hello.o 只是把这几行代码变成了半成品零件，而 std::cout 本身的实现代码存放在 C++ 标准库中，并不在 hello.o 里面。

因此，接下来需要由 “链接器” 去 C++ 标准库里找出 std::cout 的现成实现代码，和目标文件 hello.o 组装到一起，打包成完整的程序。在终端中执行下面这条命令即可完成链接：

g++ hello.o -o hello.exe

链接成功之后，文件夹里就会生成最终的 hello.exe。在 Windows 系统中，这就是一个完整的可执行程序了。而在 macOS 和 Linux 系统中，生成的可执行程序通常不带 .exe 后缀，但 “先编译、再链接” 的生成过程是完全一致的。

4. 运行可执行程序

得到了可执行程序 hello.exe 之后，我们才真正进入 “运行” 阶段。在终端中输入以下命令并按下 Enter 键：

.\hello.exe

运行结果如下。

Hello, C++!

执行 .\hello.exe 时，操作系统会先把程序加载到内存中，然后自动找到程序入口 main() 函数，从上往下执行花括号内部的代码，最终在屏幕上打印出 “Hello, C++!”。

把上面这 4 个步骤串起来，整个 C++ 程序的生成与运行流程如下：

源文件（.cpp） → 编译 → 目标文件（.o） → 链接 → 可执行程序（.exe） → 运行

日常编译的注意事项

在实际编写和调试代码时，有两个常见的编译细节需要小伙伴们特别留意。

1. 一步完成编译与链接

既然生成程序需要先编译成 .o 文件、再链接成 .exe 文件，那为什么平时我们只敲一条 g++ 命令就搞定了呢？

其实，g++ 是一个总控工具。当我们像平时那样直接执行下面这条命令时：

g++ -std=c++20 hello.cpp -o hello.exe

g++ 会在后台自动把 “编译” 和 “链接” 两步连续做完，并在生成最终的 hello.exe 之后，自动把中间临时产生的目标文件清理掉。也就是说，平时只写一条命令，并不是省掉了链接阶段，而是 g++ 在背后自动完成了。

前面加上 -c 参数把两步拆开，只是为了带大家看清背后的真实过程。平时编译单文件程序直接执行上面这一条命令即可，刚才实验留下的 hello.o 文件直接删掉也不会有任何影响。

2. 修改代码后重新编译

很多初学的小伙伴在写代码时常会遇到一个奇怪的现象：明明修改了 .cpp 文件里的代码，为什么运行出来的结果还是老样子？

这是因为 hello.cpp 是我们编写的源代码草稿，而 hello.exe 是根据上一次的代码加工出来的成品，它们是两个独立的文件。我们可以按照以下 4 步做一个小实验，亲手验证一下：

• 打开 hello.cpp，把双引号里的 "Hello, C++!" 修改为 "Hello, lvyenet!"，然后按下快捷键（Ctrl + S）保存文件。
• 此时先不要执行编译命令，直接在终端里运行原来的 .\hello.exe，可以看到屏幕上输出的依然是旧的 “Hello, C++!”。
• 在终端中重新执行编译命令 g++ -std=c++20 hello.cpp -o hello.exe，重新生成一次 hello.exe。
• 再次运行 .\hello.exe，这一次屏幕上才会显示出新的 “Hello, lvyenet!”。

这个实验说明，修改源代码并不会自动更新已经生成的 .exe 程序。日常开发中常把编译加链接生成程序的过程统称为 “构建（Build）”。平时只需要记住一句话：只要修改了源代码，就必须先保存并重新编译，然后再运行才能看到最新效果。

编译错误与链接错误

平时写 C++ 代码遇到报错时，错误信息通常可以分为 “编译错误” 和 “链接错误” 两大类，它们分别对应前面的两个加工阶段。

1. 编译错误

编译错误发生在 “源文件 → 目标文件” 这一步。只要代码违反了 C++ 的语法规则，比如漏写了分号、括号没闭合，或者把标准库里的名字拼错了，编译器在检查时就会直接报错，此时连目标文件（.o）都生成不出来。下面我们来看一个例子。

示例 1：拼写错误导致编译报错

#include <iostream>

int main() {
    std::cot << "Hello, C++!";    // 误将 cout 写成 cot
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）hello.cpp:4:10: error: 'cot' is not a member of 'std'; did you mean 'cout'?

分析：

在这个例子中，我们不小心把 std::cout 拼错写成了 std::cot。在编译检查阶段，编译器发现标准库 std 里面根本没有 cot 这个名字，于是直接停止编译并报错。

报错信息里的英文提示意思是 “cot 不是 std 的成员，你想写的是不是 cout？”，并且开头直接标出了具体的文件名与行列位置 hello.cpp:4:10。遇到这类指出具体行号的编译报错，我们直接回到对应行检查拼写或标点符号就可以了。

2. 链接错误

链接错误发生在 “目标文件 → 可执行程序” 这一步。此时代码语法没有问题，已经顺利通过了编译，但在组装程序时，链接器找不到某个被调用函数的具体实现，或者找不到程序入口 main()，就会报出 undefined reference（未定义的引用）错误。

举个初学者很常见的例子：不小心把程序入口 main() 拼错写成了 mian()。请看下面例子。

示例 2：入口写错导致链接报错

#include <iostream>

int mian() {    // 误将 main 写成 mian
    std::cout << "Hello, C++!";
    return 0;
}

运行结果如下。

（报错）undefined reference to `WinMain'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

分析：

对比示例 1 可以发现，把 main() 误写成 mian() 之后，这段代码在编译阶段是不会报错的。因为编译器认为我们只是自己定义了一个名叫 mian 的普通函数，单看语法完全合法。

可能有些小伙伴会觉得奇怪：“明明写错的是 main，为什么报错却提示找不到 WinMain 呢？” 这是因为在 Windows 系统下，链接器找不到控制台程序入口 main() 时，会继续去寻找窗口程序入口 WinMain。结果两个入口都没找到，最终就报出了 WinMain 未定义的错误。

报错第二行里的 ld 指的就是 GCC 的链接器程序，返回状态码 1 代表链接失败并退出。除了把 main() 的名字写错之外，以后我们自己编写多个函数时，如果只写了函数声明、却漏写了函数的具体实现代码，同样会在链接阶段触发 undefined reference 报错。

通过上面这两个例子，我们可以总结出以下 2 条实用的报错排查经验：

• 报错指出具体文件名与行号：说明卡在了编译阶段，优先回到对应行检查拼写、分号或括号等语法细节。
• 报错提示 undefined reference：说明语法检查已通过，但卡在了链接阶段，优先检查 main() 入口名是否写错，或者被调用的函数是否缺少具体实现。