计算机编译

编译运行

编译器

  • 例如：gcc/g++/cl.exe/MinGW/MSVC
  • 编译器的核心功能是将 C++ 源代码（.cpp）编译为机器能识别的二进制指令（.o/.obj），再通过链接器生成可执行文件（.exe 等）。下面列出来的不仅仅是编译器，已经丰富为编译套件（包含编译，链接等）。
gcc/g++
  • 全称：GNU Compiler Collection（GNU 编译器套件，更是一个工具链集合）。
  • 工具链组成：
工具作用
gcc/g++C/C++ 编译器，负责将源代码编译为目标文件（.o）。
ld链接器，将多个目标文件链接为可执行文件（.elf）或共享库（.so）。
ar创建静态库（.a），如 ar rcs libexample.a file1.o file2.o。
as汇编器，将汇编代码转换为机器码。
make构建工具，解析 Makefile 并执行编译命令（通常预装在 Linux 中）。
GDB调试器，用于调试程序（如断点、单步执行等）。
binutils辅助工具集（如objdump反汇编、nm查看符号表）。
  • 作用：
    • gcc 主要编译 C 语言代码；
    • g++ 是 gcc 的 C++ 前端，专门编译 C++ 代码（支持 C++ 标准、STL 等）。
  • 特点：
    • 跨平台（Linux、macOS、Windows 均可安装）；
    • 开源免费，支持几乎所有 C++ 标准（C++98 到 C++23）；
    • 是 Linux 系统默认的 C++ 编译器（比如 Ubuntu、CentOS 自带）。
MinGW

  • 全称：Minimalist GNU for Windows（Windows 上的精简 GNU 工具集）。

  • 作用：是 gcc/g++ 在 Windows 平台的移植版本，让 Windows 系统能使用 gcc/g++ 编译代码。

  • 特点：

    • 编译出的程序不需要依赖微软的运行时库（如 MSVC 的msvcr120.dll），可独立运行；
    • 轻量、开源，适合 Windows 平台下的跨平台开发（和 Linux 的 gcc 行为更一致）。

  • Windows 上的 GNU 工具链移植：将 Linux 下的 GCC、GDB 等工具移植到 Windows，让 Windows 开发者能使用类 Unix 环境开发。

  • 跨平台一致性：编译行为与 Linux/macOS 的 GCC 高度一致，适合需要跨平台的项目（如同时支持 Windows 和 Linux 的 Qt 应用）。

  • 工具链组成：MinGW 工具链包含以下核心组件：

工具作用
gcc/g++C/C++ 编译器，负责将源代码编译为目标文件（.o）。
ld链接器，将多个目标文件链接为可执行文件（.exe）或库文件（.dll/.a）。
make/mingw32-make构建工具，解析 Makefile 并执行编译命令。
GDB调试器，用于调试程序（如断点、单步执行等）。
binutils辅助工具集（如ar打包静态库、objdump反汇编）。
  • 优缺点：
优点缺点
无需安装 Visual Studio，轻量简洁对 Windows 特定 API（如 COM、UWP）支持有限
编译的程序不依赖微软运行时库调试工具（如 GDB）不如 Visual Studio 强大
与 Linux/macOS 的 GCC 兼容性好对最新 C++ 标准（如 C++20/23）支持略滞后

  • 适用场景：

    • 跨平台开发：项目需要同时在 Windows 和 Linux 上运行，且希望使用同一套工具链。
    • 轻量化需求：不需要复杂的 Windows 特性（如 UWP、DirectX），追求简单独立的程序。
    • 教育 / 学习：适合新手入门，避免 Visual Studio 的复杂安装和配置。

MSVC

  • 全称：Microsoft Visual C++（微软的 C++ 编译器）。

  • 作用：随 Visual Studio（微软的 IDE）提供，是 Windows 平台的 “原生” 编译套件，工具链中负责编译的是cl.exe。

  • 特点：

    • 仅支持 Windows 平台；
    • 对 Windows 系统 API 和微软生态（如.NET、DirectX）支持更好；
    • 编译速度快，调试工具（如 VS 的调试器）更强大，但闭源且仅绑定 Visual Studio。

  • Windows 原生 C++ 工具链：微软为 Windows 平台开发的官方工具链，深度集成 Windows 系统 API 和特性。

  • Visual Studio 生态：与 Visual Studio IDE 紧密结合，提供强大的调试、代码分析等功能。

  • 工具链组成：MSVC 工具链是 Visual Studio 的一部分，包含：

工具作用
cl.exeC/C++ 编译器（CL = Compiler），替代 GCC 的g++。
link.exe链接器，替代 GCC 的ld。
nmake构建工具，类似 GNU 的make，但语法略有不同。
Visual Studio 调试器图形化调试工具，支持断点、内存分析、性能分析等高级功能。
MSBuild微软的项目构建系统，替代传统的 Makefile，支持.vcxproj格式。
Windows SDK包含 Windows API 头文件和库文件（如 Win32 API、COM、DirectX）。
  • 优缺点：
优点缺点
对 Windows 系统 API（如 UWP、DirectX）支持完美必须安装 Visual Studio（占用空间大，安装复杂）
调试工具（如 VS 调试器）功能强大编译的程序依赖微软运行时库（如msvcr120.dll）
对最新 C++ 标准支持更及时不支持跨平台（只能编译 Windows 程序）

  • 适用场景：

  • Windows 原生应用：开发依赖 Windows 特定功能的程序（如 UWP 应用、DirectX 游戏）。

  • 企业级开发：团队使用 Visual Studio 协作，需要强大的调试和代码分析工具。

  • 高性能需求：MSVC 对 Windows 系统调用的优化更好，适合性能敏感的程序（如游戏、数据库）。

维度MinGWMSVC
依赖库不依赖微软运行时库，程序可独立运行依赖微软运行时库（需随程序分发）
调试体验依赖 GDB，功能较基础Visual Studio 调试器功能强大
C++ 标准支持略滞后于 MSVC（如对 C++20 的 concept 支持稍慢）对最新标准支持更及时
Windows API 支持有限（仅支持部分 Win32 API）完整支持所有 Windows 特性（包括 UWP、COM）
跨平台兼容性与 Linux/macOS 的 GCC 兼容仅支持 Windows 平台
安装复杂度轻量（单独安装包，通常 < 1GB）重量级（需安装 Visual Studio，通常 > 5GB）

编译器选项

  • Windows 系统：
    • 选项通常有 “MinGW 11.2.0”“MSVC 2019”“MSVC 2022” 等。
    • MinGW：适合新手，无需额外安装 Visual Studio，编译的程序可独立运行；
    • MSVC：需要先安装对应版本的 Visual Studio（如选 MSVC 2022，需先装 VS2022），适合习惯用 VS 调试的用户。
  • Linux 系统：
    • 通常是 “GCC 11”“GCC 12” 等（即 g++），直接选系统默认的 gcc 版本即可。
  • macOS 系统：
    • 通常是 “Clang 14”（苹果基于 LLVM 的编译器，类似 gcc，macOS 默认）。

构建工具

  • 例如：make/MSBuild/QMake/Ninja
  • 负责自动化编译流程
  • 写代码时，手动输入g++ main.cpp -o app编译单个文件很简单，但大型项目（如 Qt 程序）有上百个源文件，需要自动化编译（按依赖顺序编译、链接），这就是构建工具的作用。

1. make

  • 作用：根据Makefile（定义编译规则的文本文件）自动执行编译命令（如gcc -c file.cpp），解决多文件依赖问题。
  • 特点：
    • 历史悠久，是 Unix/Linux 下的标准构建工具；
    • 但Makefile需要手动编写，且语法复杂，跨平台兼容性差（Windows 上需要额外安装 MinGW 或 Cygwin 才能用）。

2. MSBuild

  • MSBuild 是Windows 平台的原生构建系统
    • 定位
      • 解析 Visual Studio 项目文件（.vcxproj、.csproj等），并执行编译、链接等操作；
      • 与 Visual Studio IDE 深度集成，但也可独立通过命令行使用；
      • 是微软技术栈（如.NET、C++/CLI、UWP）的官方构建工具。
  • 工作流程：
    • 解析.vcxproj中的规则；
    • 调用 MSVC 编译器（cl.exe）编译源码；
    • 调用链接器（link.exe）生成可执行文件或库。

3. Ninja

  • 定位：轻量级、高性能的构建工具，通常与 CMake 配合使用。
  • 工作流程：
    1. 用 CMake 生成 Ninja 构建文件（而非 Makefile）：cmake -G "Ninja"；
    2. 执行ninja编译项目。
  • 优点：
    • 编译速度比make快（并行构建优化更好）；
    • 适合大型项目（如 Qt 自身源码编译）。

CMake

构建工具的局限性

  • MinGW 中的mingw32-make、MSVC 中的MSBuild属于 “底层构建工具”，它们的工作是解析特定格式的构建文件 （如 Makefile、.vcxproj），并按规则执行编译、链接命令。但它们有明显短板：

  1. 平台 / 工具链绑定

    • make/mingw32-make依赖Makefile（语法复杂，且 Windows/Linux 下的写法有差异）；
    • nmake/MSBuild依赖Visual Studio 的项目文件（.vcxproj，仅支持 MSVC 工具链，无法在 Linux 上用）。 若项目需要同时支持 MinGW、MSVC、Linux 的 GCC、macOS 的 Clang，你需要为每个工具链写一套独立的构建文件（如 Makefile、.vcxproj、Xcode 项目），维护成本极高。

  2. 复杂项目管理困难

    • 对于多文件、多模块、多依赖库（如链接 Qt 库、第三方库）的项目，手动编写 Makefile 或.vcxproj 容易出错（比如路径配置、依赖顺序、条件编译逻辑）；
    • 大型项目（如 Qt 本身、OpenCV）的构建规则复杂，手动维护几乎不可能。

CMake 的核心作用

[!NOTE] 统一生成跨平台构建文件

  • CMake 不直接编译代码，而是根据一份统一的配置文件（CMakeLists.txt），自动生成对应工具链所需的构建文件（如 Makefile、.vcxproj、Xcode 项目）。简单说：
    • 只需要写一份CMakeLists.txt，声明 “源代码在哪、依赖哪些库、编译选项是什么”；
    • CMake 会根据你当前的工具链（如 MinGW/MSVC/GCC/Clang）和平台（Windows/Linux/macOS），自动生成该工具链能识别的构建文件（比如给 MinGW 生成 Makefile，给 MSVC 生成.vcxproj，给 Linux 生成 GCC 的 Makefile）。
  • 作用：跨平台的构建系统生成器（比 make，MSBuild 更高层）。
  • 工作流程：
    1. 开发者编写CMakeLists.txt（简单的跨平台配置文件），定义项目结构、编译选项等；
    2. CMake 根据CMakeLists.txt，自动生成对应平台的构建文件（比如 Linux 的Makefile、Windows 的 Visual Studio 项目文件、macOS 的 Xcode 项目）；
    3. 再通过对应平台的构建工具（make、VS、Xcode）执行编译。
  • 特点： 解决了 make 的跨平台痛点，是目前大型 C++ 项目的主流构建工具
  • MinGW 和 MSVC 包含的构建工具（如make/mingw32-make、nmake/MSBuild）是直接执行编译流程的工具，而 CMake 是 “生成构建工具所需文件的工具”（元构建系统，Meta-build System）。两者的定位完全不同，CMake 的核心价值是解决跨平台、跨工具链的构建兼容性问题 ，尤其在复杂项目中不可替代。
场景直接用构建工具（make/MSBuild）用 CMake
跨平台支持需要手动写多套构建文件（维护成本极高）一份 CMakeLists.txt 适配所有平台
多工具链切换（MinGW→MSVC）需重新编写构建文件只需重新生成一次构建文件（一键切换）
复杂项目（多依赖 / 多模块）手动维护容易出错，依赖关系混乱自动处理依赖、路径、编译选项，结构清晰
团队协作不同成员可能用不同工具链，构建规则不统一统一配置文件，避免 “在我这能编，在你那报错”

CMake 与构建工具的关系

  • 构建工具（make/MSBuild等）是 “工人”，负责按图纸（Makefile/.vcxproj）施工（编译代码）；
  • CMake 是 “图纸设计师”，根据你的需求（CMakeLists.txt），为不同 “工人”（工具链）绘制对应的 “施工图纸”（构建文件）。

CMake优势

如果项目需要同时支持Windows（MinGW/MSVC）、Linux（GCC）、macOS（Clang），直接用make或MSBuild几乎无法实现：

  • 不同平台的库路径（如 Qt 库在 Windows 是C:\Qt\...，在 Linux 是/usr/lib/qt5/...）、编译选项（如 Windows 需要-DWIN32，Linux 需要-DLINUX）、链接方式（如 Windows 的.dll和 Linux 的.so）差异极大；
  • 用 CMake 的话，只需在CMakeLists.txt中通过find_package(Qt5 COMPONENTS Core Widgets)声明依赖，CMake 会自动适配不同平台的 Qt 库路径和编译规则，无需手动修改。

即使只在 Windows 开发，若需要在MinGW 和 MSVC 之间切换（比如测试不同工具链的兼容性），CMake 能避免重复劳动：

  • 无需为 MinGW 写一套 Makefile，再为 MSVC 写一套.vcxproj；
  • 只需运行cmake -G "MinGW Makefiles"生成 MinGW 的构建文件，或cmake -G "Visual Studio 17 2022"生成 MSVC 的.vcxproj，同一份CMakeLists.txt通用。

GCC

GCC 编译器通常以 Linux 命令的形式在终端（Shell）中使用。

如果需要其他特定的GCC组件，例如C++编译器（g++）或Fortran编译器（gfortran），需要额外再安装。

指令格式：gcc [options] [filenames]

选项说明
-c只编译源代码，生成目标文件（xx.o）而不进行链接
-E只进行预处理，生成预处理后的源代码文件
-O优化生成的代码，可以使用-O1、-O2或-O3进行不同级别的优化(是大写字母O)
-g生成调试信息，以便进行源代码级调试
-Wall显示编译时的警告信息
-std指定所使用的C语言标准，如-std=c11
-I指定包含头文件的目录
-L指定链接库文件的目录
-l链接指定的库文件

GDB

  • 要想使用gdb，需要在编译时开启调试功能
gcc：在编译时添加 -g 选项生成调试信息
gcc -g -o program program.c(-g：生成调试符号，便于 GDB 进行源代码级调试。)

Makefile：大项目时添加
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -g

CMakeLists.txt：构建工具
对于C++:
在CMakeLists.txt文件中添加如下语句：
SET(CMAKE_BUILD_TYPE "Debug")
SET(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "$ENV{CXXFLAGS} -O0 -Wall -g2 -ggdb")
SET(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "$ENV{CXXFLAGS} -O3 -Wall")

对于C:
在CMakeLists.txt文件中添加如下语句：
SET(CMAKE_BUILD_TYPE "Debug")
SET(CMAKE_C_FLAGS_DEBUG "$ENV{CFLAGS} -O0 -Wall -g -ggdb")
SET(CMAKE_C_FLAGS_RELEASE "$ENV{CFLAGS} -O3 -Wall")
  • gdb指令
类型说明指令
安装查看是否安装了gdbrpm -qa|grep gdb
查看安装版本gdb -v
启动启动gdbgdb program
退出退出gdbquit；q
显示当前文件源码显示第linenum行的上下文内容list linenum
显示函数名为function的函数的源程序list function
显示当前行后面的源程序list
显示当前文件开始处的源程序list -
显示其他文件源码显示file文件下第linenum行list file:linenum
显示file文件的函数名为function的函数的源程序list file:function
显示源码设置设置一次显示源代码的函数（一般打印当前行的上5行和下5行，默认是10行）set listsize count
查看当前listsize的设置show listsize
断点设置断点break；b
当前文件打断点在第10行设置断点b 10
在func函数入口处设置断点b func
设置临时断点（temporary breakpoint），即断点只会在首次触发后被自动删除tbreak <location>；例如b xxx.c:n if intValue ==5表示 如果intValue的值等于5，在xxx.c文件第n行中设置断点
其他文件打断点在源文件为filename的linenum行设置断点b filename:linenum
在源文件filename的function函数的入口处设置断点b filename:function
断点查询查询所有断点info b；info break； i b
删除断点删除所有的断点delete
删除断点为num的断点delete num
删除不连续的断点 num1 num3delete num1 num3
删除连续的断点，删除 n-m的断点delete n-m
禁用断点指定断点无效,不会删除断点disable[range…]；dis [range…]
启用断点指定断点有效，对应解开disable设置的无效断点enable[range…]；ena[range…]
运行控制执行代码run；r
退出进入的函数，执行到当前函数返回为止finish；fin
循环体内运行程序，直到退出循环体untile；u
继续运行程序，如果有断点，则调到下一个断点处continue；c
单步调试函数调用当做一条简单语句执行next；n
函数调用进入被调用函数体内step；s
查看运行时变量的值打印var的值print var；p var
打印var的地址print &var；p &var
查看var的类型ptype var
自动显示变量的值，当程序停住时，或在单步追踪时，这些变量会自动显示设置自动显示display 变量名
查看display设置的自动显示的信息info display
删除自动显示undisplay num(info display时显示的编号）
删除自动显示delete display num
禁用num显示disable display num
启用num显示enable display num
监视变量监视变量var的值，当变量的值发生改变时，停止程序的执行watch var；w var
查看watch设置的监视点的信息info watchpoints
禁用num监视disable num
启用num监视enable num
堆栈跟踪显示当前函数调用的堆栈跟踪信息backtrace；bt
查看当前调试状态的信息查看断点info break；i b
查看displayinfo display
查看watchinfo w
查看函数的参数列表info args
查看当前函数的局部变量info locals
查看寄存器的值info registers；i r
显示当前线程的列表info threads
显示当前进程接收到的信号info signals
  • 在 Linux 操作系统中，当程序执行发生异常崩溃时，系统可以将发生崩溃时的内存数据、调用堆栈情况等信息自动记录下载，并存储到一个文件中，该文件通常称为 core 文件，Linux 系统所具备的这种功能又称为核心转储（core dump）。GDB 对 core 文件的分析和调试提供有非常强大的功能支持，也可以通过 GDB 调试产生的 core 文件来快速解决问题。
  1. 查看是否开启 core dump 这一功能 ：ulimit -a
  2. core file size（core 文件大小）对应的值为 0，表示当前系统未开启 core dump 功能
  3. 开启 core dump：ulimit -c unlimited （unlimited 表示不限制 core 文件的大小）

CMakLists

cmake_minimum_required(VERSION 3.15)

# 项目信息
project(MyProject VERSION 1.0 LANGUAGES CXX)

# 设置默认构建类型为 Debug
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)

# 指定 C++ 标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)

# 针对 Debug 模式的编译选项
set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "-g -O0")
set(CMAKE_C_FLAGS_DEBUG "-g -O0")

# 添加可执行目标
add_executable(my_executable main.cpp)