1.2 編譯器工具鏈

為C++程序編寫代碼之后，下一步就是將代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行程序。編譯器工具鏈?zhǔn)且粋€(gè)包含三種元素的集合，它們按順序運(yùn)行，將代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行程序：

? 首先，由預(yù)處理器（preprocessor）執(zhí)行基本的源代碼轉(zhuǎn)換。例如，#include<cstdio>是一種預(yù)處理指令，它指示預(yù)處理器將cstdio程序庫引入源代碼中。當(dāng)預(yù)處理器完成源代碼的處理之后，它會(huì)生成一個(gè)編譯單元。每一個(gè)編譯單元都會(huì)被傳給編譯器去處理。

? 其次，由編譯器（compiler）讀入編譯單元，生成一個(gè)目標(biāo)文件。目標(biāo)文件包含一種叫作目標(biāo)代碼的中間格式數(shù)據(jù)。這些文件中的數(shù)據(jù)和指令都是中間格式的，它們對(duì)人類來說不可讀。編譯器一次轉(zhuǎn)換一個(gè)編譯單元，所以每一個(gè)編譯單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)文件。

? 最后，由鏈接器（linker）從目標(biāo)文件中生成最終程序。鏈接器也負(fù)責(zé)尋找包含在源代碼中的程序庫。例如，當(dāng)編譯代碼清單1-1中的程序時(shí)，鏈接器會(huì)找到cstdio程序庫，并且引入所有必要的信息來使用printf函數(shù)。注意，cstdio頭文件（header）不同于cstdio程序庫。頭文件包含使用程序庫的方法的信息。第21章將介紹更多關(guān)于程序庫和源代碼組織結(jié)構(gòu)的知識(shí)。

1.2.1 設(shè)置開發(fā)環(huán)境

所有的C++開發(fā)環(huán)境都包含一套編輯源代碼的編輯器和將源代碼轉(zhuǎn)換為程序的編譯器工具鏈。通常，開發(fā)環(huán)境也包含調(diào)試器，它是一種可以讓我們一行行地執(zhí)行程序的代碼以尋找錯(cuò)誤的無價(jià)工具。

當(dāng)所有這些工具——文本編輯器、編譯器工具鏈和調(diào)試器——打包成一個(gè)程序時(shí)，我們稱這個(gè)程序?yàn)榻换ナ介_發(fā)環(huán)境（Interactive Development Environment，IDE）。IDE對(duì)初學(xué)者和老手的效率提升都有巨大作用。

注意 不幸的是，C++并沒有一個(gè)可以交互地執(zhí)行C++代碼片段的解釋器，這和Python、Ruby和JavaScript等語言不同，它們都有解釋器。一些Web應(yīng)用程序允許測(cè)試和分享一些小的C++代碼片段，例如Wandbox（https://wandbox.org/）——該網(wǎng)站可以讓你編譯和運(yùn)行代碼，以及Matt Godbolt的Compiler Explorer（https://www.godbolt.org/）——該網(wǎng)站可以讓你檢查源代碼生成的匯編代碼。這兩者都可以在各種編譯器和系統(tǒng)上運(yùn)行。

每一個(gè)操作系統(tǒng)都有自己的源代碼編輯器和編譯器工具鏈，所以本節(jié)將按照操作系統(tǒng)組織。你可以直接跳到對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)部分。

1.2.2 Windows 10以及后續(xù)版本：Visual Studio

編寫本書時(shí)，Windows最流行的C++編譯器是微軟Visual C++編譯器（MicroSoft Visual C++ Compiler，MSVC）。獲取MSVC最簡(jiǎn)單的方法就是按照下列步驟安裝Visual Studio 2017 IDE：

1）下載Visual Studio 2017社區(qū)版（https://ccc.codes/）。

2）運(yùn)行安裝包，如果有必要，請(qǐng)?jiān)试S它進(jìn)行更新。

3）在Installing Visual Studio界面，請(qǐng)確保Desktop Development with C++ Workload被選中了。

4）單擊Install（安裝）按鈕安裝Visual Studio 2017以及MSVC。

5）單擊Launch（運(yùn)行）按鈕運(yùn)行Visual Studio 2017。整個(gè)過程可能需要花費(fèi)幾小時(shí)，具體取決于機(jī)器的速度和所選的選項(xiàng)。典型的安裝空間需要20～50GB。

設(shè)置新項(xiàng)目的步驟如下：

1）選擇File（文件）→New（新建）→Project（項(xiàng)目）。

2）在Installed（已安裝）下，單擊Visual C++并且選擇Default（默認(rèn)）。然后，在中間的面板中選擇Empty Project（空項(xiàng)目）。

3）輸入hello作為項(xiàng)目的名稱。這時(shí)，窗口應(yīng)該看起來和圖1-1類似，但是Location可能不同，具體取決于用戶名。單擊OK（確認(rèn)）。

4）在工作空間左邊的Solution Explorer（解決方案資源管理器）中，右鍵單擊Source Files（源文件）并且選擇Add（添加）→Existing Item（現(xiàn)有項(xiàng)），如圖1-2所示。

5）選擇之前在代碼清單1-1中創(chuàng)建的文件main.cpp。如果還沒有創(chuàng)建這個(gè)文件，則選擇New Item（新建）而不是Existing Item（現(xiàn)有項(xiàng)），將該文件命名為main.cpp并將代碼清單1-1的內(nèi)容輸入到相應(yīng)的編輯器窗口中。

6）選擇Build（生成）→Build Solution（生成解決方案）。如果輸出窗口出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，請(qǐng)確認(rèn)輸入的內(nèi)容和代碼清單1-1中的一致。如果仍然出現(xiàn)錯(cuò)誤，請(qǐng)仔細(xì)檢查這些錯(cuò)誤內(nèi)容來獲取提示。

7）選擇Debug（調(diào)試）→Start Without Debugging（開始執(zhí)行，不調(diào)試）或者按下<Ctrl+F5>鍵來運(yùn)行程序。此時(shí)，Hello, world!字樣將被打印在控制臺(tái)窗口中（緊接著，會(huì)有按任意鍵繼續(xù)的字樣）。

1.2.3 macOS:Xcode

如果使用的是macOS，那么應(yīng)該安裝Xcode開發(fā)環(huán)境：

1）打開App Store（應(yīng)用商店）。

2）搜索并安裝Xcode開發(fā)環(huán)境。安裝過程可能會(huì)花費(fèi)一個(gè)多小時(shí)，具體取決于機(jī)器和互聯(lián)網(wǎng)連接的速度。當(dāng)安裝完成時(shí)，打開Terminal（終端）并轉(zhuǎn)到保存main.cpp的目錄。

3）在終端中輸入clang++main.cpp-o hello來編譯程序。-o選項(xiàng)指示工具鏈將結(jié)果輸出到哪里。如果出現(xiàn)了編譯錯(cuò)誤，請(qǐng)檢查之前輸入的程序內(nèi)容是否正確。

4）在終端中輸入./hello來運(yùn)行程序。此時(shí)，Hello, world!字樣會(huì)出現(xiàn)在屏幕上。

為了編譯和運(yùn)行程序，請(qǐng)打開Xcode開發(fā)環(huán)境并且按以下步驟執(zhí)行：

1）選擇File（文件）→New（新建）→Project（項(xiàng)目）。

2）選擇macOS→Command Line Tool（命令行工具）并單擊Next（下一步）。在下一個(gè)對(duì)話框中，可以選擇在哪里創(chuàng)建項(xiàng)目的文件。現(xiàn)在，接受默認(rèn)設(shè)置并且單擊Create（創(chuàng)建）。

3）將項(xiàng)目命名為hello并將其類型設(shè)置為C++，參見圖1-3。

4）現(xiàn)在，將代碼清單1-1中的代碼導(dǎo)入項(xiàng)目中。一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是將main.cpp的內(nèi)容復(fù)制、粘貼到項(xiàng)目的main.cpp。另一個(gè)辦法就是使用Finder進(jìn)行替換。（在創(chuàng)建新項(xiàng)目時(shí)通常不需要處理這個(gè)問題。這只是本教程為了應(yīng)付多個(gè)操作系統(tǒng)環(huán)境的特殊步驟。）

5）單擊Run（運(yùn)行）。

1.2.4 Linux和GCC

對(duì)于Linux，可以選擇兩種C++編譯器：GCC和Clang。在編寫本書時(shí)，最新的GCC穩(wěn)定版是9.1，最新的Clang版本是8.0.0。這一節(jié)將介紹如何安裝它們。有時(shí)候，用戶會(huì)覺得其中一個(gè)的錯(cuò)誤信息比另一個(gè)的更有幫助。

注意 GCC表示GNU編譯器套件（GNU Compiler Collection）。GNU的發(fā)音是“guh-NEW”，意指“GNU’s Not Unix！”（GNU不是Unix）。GNU是一個(gè)類Unix的操作系統(tǒng)，它包含一系列計(jì)算機(jī)軟件。

你可以嘗試通過操作系統(tǒng)的包管理器來安裝GCC和Clang，但是請(qǐng)注意，默認(rèn)的軟件倉庫可能只有老版本，它們可能并不支持C++17。如果不支持C++17，本書中的一些例子可能沒辦法編譯，所以你需要安裝新版本的GCC和Clang。為了簡(jiǎn)潔，這一章會(huì)介紹如何在Debian上以及如何從源碼安裝它們。你可以自行研究如何在自己選擇的Linux系統(tǒng)上執(zhí)行這些必要操作，也可以直接使用本章提到的操作系統(tǒng)來設(shè)置開發(fā)環(huán)境。

1.在Debian上安裝GCC和Clang

考慮到個(gè)人包管理存檔（Personal Package Archives，PPA）的狀態(tài)，當(dāng)你閱讀本章的時(shí)候，你可以用Debian的包管理工具APT（Advanced Package Tool）直接安裝GCC 8.1以及Clang 6.0。本小節(jié)將展示如何在Ubuntu 18.04（編寫本書時(shí)最新的Ubuntu LTS版本）上安裝GCC和Clang：

1）打開終端。

2）更新并升級(jí)已經(jīng)安裝的包：

3）安裝GCC 8和Clang 6.0：

4）測(cè)試GCC和Clang：

如果以上任一命令報(bào)錯(cuò)說該命令沒有找到，則相應(yīng)的編譯器沒有安裝成功。嘗試搜索報(bào)錯(cuò)信息，尤其是在包管理器的文檔中和論壇上進(jìn)行搜索。

2.從源碼安裝GCC

如果無法在包管理器中找到最新版的GCC或者Clang（或者Unix變體根本沒有包管理器），那么可以嘗試從源碼安裝GCC。注意，這會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間（長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)），并且可能需要手動(dòng)處理不少問題：安裝過程中常常會(huì)遇到錯(cuò)誤，因而需要研究如何解決。請(qǐng)參考https://gcc.gnu.org/上的步驟來安裝GCC。本小節(jié)總結(jié)了該網(wǎng)站上的文檔。

注意 為了簡(jiǎn)潔，該教程不會(huì)詳細(xì)講解Clang的安裝，有關(guān)Clang的更多信息，請(qǐng)參考https://clang.llvm.org/。

從源碼安裝GCC 8.1，請(qǐng)遵照以下步驟：

1）打開終端。

2）更新并升級(jí)已經(jīng)安裝的包。例如，使用APT需要執(zhí)行以下命令：

3）從https://gcc.gnu.org/mirrors.html選擇一個(gè)鏡像源，下載文件gcc-8.1.0.tar.gz和gcc-8.1.0.tar.gz.sig。這些文件可以在releases/gcc-8.1.0下找到。

4）檢查包的完整性（可選）。首先，導(dǎo)入相應(yīng)的GnuPG公鑰。公鑰可以在鏡像網(wǎng)站找到。例如：

校驗(yàn)下載的包：

上面的警告的意思是機(jī)器還沒有將簽名者的證書標(biāo)記為受信證書。要檢查簽名的確屬于包的擁有者，需要用其他的辦法校驗(yàn)簽名的密鑰（例如，親自與其本人見面或者使用其他渠道校驗(yàn)主密鑰的指紋）。想要了解更多GNU隱私保護(hù)（GNU Privacy Guard，GPG），請(qǐng)參閱Michael W. Lucas撰寫的PGP& GPG: Email for the Practical Paranoid或者瀏覽https://gnupg.org/download/integrity_check.html獲取有關(guān)GPG完整性檢查設(shè)施的具體信息。

5）解壓包（該命令可能需要執(zhí)行幾分鐘）：

6）切換到剛剛創(chuàng)建的gcc-8.1.0文件夾：

7）下載GCC的安裝依賴項(xiàng)：

8）用以下命令配置GCC：

相關(guān)配置指令見https://gcc.gnu.org/install/configure.html。

9）構(gòu)建GCC二進(jìn)制文件（可能晚上做比較好，因?yàn)檫@個(gè)過程需要幾小時(shí)）：

完整的指令介紹見https://gcc.gnu.org/install/build.html。

10）測(cè)試GCC二進(jìn)制文件是否正確構(gòu)建：

完整的指令介紹見https://gcc.gnu.org/install/test.html。

11）安裝GCC：

該命令會(huì)將一些二進(jìn)制文件放到操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件的默認(rèn)目錄，一般是/usr/local/bin。完整的指令介紹見https://gcc.gnu.org/install/。

12）通過以下命令來檢查GCC是否正確安裝：

如果遇到命令無法找到的錯(cuò)誤，則說明沒有安裝成功。請(qǐng)參考位于https://gcc.gnu.org/ml/gcc-help/的gcc-help郵件列表來尋找解答。

注意 如果想要給冗長(zhǎng)的x86_64-pc-linux-gnu-gcc-8.1.0取個(gè)別名，如g++8，則可以使用以下命令：

13）切換到存放main.cpp的目錄，然后用GCC編譯程序：

14）-o選項(xiàng)是可選的，它告訴編譯器如何命名最終的程序。因?yàn)榻o程序取名hello，所以可以輸入./hello來執(zhí)行程序。如果碰到任何編譯錯(cuò)誤，請(qǐng)確保輸入的命令正確。（編譯錯(cuò)誤可以幫助你定位哪里出錯(cuò)了。）

1.2.5 文本編輯器

如果不想使用前面提到的IDE，也可以使用簡(jiǎn)單的文本編輯器[例如Notepad（Windows）、TextEdit（Mac）或者Vim（Linux）]來寫C++代碼，但是有一些優(yōu)秀的編輯器是專門為C++開發(fā)而設(shè)計(jì)的。建議選擇對(duì)自己來說最高效的開發(fā)環(huán)境。

如果你使用的是Windows或者macOS，那么你已經(jīng)有了一個(gè)高質(zhì)量、全功能的IDE了，即Visual Studio和Xcode。對(duì)于Linux，則可以選擇Qt Creator（https://www.qt.io/ide/）、Eclipse CDT（https:// eclipse.org/cdt/）和JetBrains的CLion（https://www.jetbrains.com/clion/）。如果使用Vim或者Emacs，那么可以找到大量的C++插件。

注意 如果跨平臺(tái)C++開發(fā)對(duì)你來說很重要，那么強(qiáng)烈推薦你試一下JetBrains的CLion。盡管CLion是付費(fèi)產(chǎn)品，和很多其他編輯器不一樣，但是截至編寫本書時(shí)，JetBrains也有折扣，甚至免費(fèi)授權(quán)給學(xué)生及開源軟件維護(hù)人員。