03 · C++ 编译模型与 CMake

目标：理解 C++ 从源文件到可执行文件的完整流程，以及 .h/.cpp 分离的原因，能独立用 CMake 构建多文件项目

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一、编译流程总览

源文件 (.cpp)
    ↓ 预处理器
翻译单元（纯文本）
    ↓ 编译器
目标文件 (.o)
    ↓ 链接器
可执行文件

每个 .cpp 文件独立编译成一个 .o，链接器最后把所有 .o 合并。

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二、第一步：预处理器

输入：原始 .cpp 源文件（含 #include、#define 等指令）

做了什么：

1. 展开 #include：把头文件内容直接复制粘贴到 #include 的位置

// 原始 main.cpp
#include "add.h"
int main() { ... }

// 展开后
int add(int a, int b);   // add.h 的内容被复制进来
int main() { ... }

#include <iostream> 同理，展开后有几千行。

2. 展开 #define：文本替换

#define MAX_SIZE 1024
int arr[MAX_SIZE];
// 展开后
int arr[1024];

3. 处理条件编译：#ifdef / #ifndef 等，不满足条件的代码块直接删掉

输出：翻译单元——所有 # 指令处理完之后的纯 C++ 文本，没有任何 # 开头的指令。可以用 g++ -E main.cpp 查看。

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三、第二步：编译器

输入：翻译单元（纯 C++ 文本）

做了什么：词法分析 → 语法分析（生成 AST）→ 语义分析（类型检查）→ 生成机器码

关键点：编译器只看当前翻译单元，遇到 add(1, 2) 的调用时：

// main.cpp 展开后
int add(int a, int b);   // 只有声明，知道函数签名
int main() {
    add(1, 2);           // 生成调用代码，但地址不知道
}

编译器从声明知道参数类型和返回类型，可以生成正确的调用代码，但 add 的实现在哪里它不知道——在 .o 文件里留一个未解析符号，标记为 U（undefined）。

输出：.o 目标文件，包含：

• 机器码
• 符号表：已定义的符号（T，有实现）和未解析的符号（U，地址待定）

nm main.o
# U add    ← undefined，地址待定
# T main   ← defined，地址已知

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四、第三步：链接器

输入：所有 .o 文件

main.o  →  机器码 + 未解析符号：add（U）
add.o   →  机器码 + 已定义符号：add（T）

做了什么：

1. 合并所有 .o 的机器码，分配最终地址
2. 解析未解析符号：main.o 里 add 地址待定 → 在 add.o 里找到实现 → 填入真实地址

两种链接错误：

• undefined reference to 'add'：有声明和调用，但所有 .o 里都找不到定义
• multiple definition of 'add'：多个 .o 里都有同名定义，不知道用哪个

输出：可执行文件，所有地址填好，可以直接运行

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五、.h 和 .cpp 分离的原因

声明 vs 定义：

int add(int a, int b);                   // 声明：描述函数签名，不含实现，可出现多次
int add(int a, int b) { return a + b; }  // 定义：包含实现，只能出现一次

分离的做法：

// add.h：只放声明，被多个文件 #include，每次预处理展开一次，没有重复定义问题
int add(int a, int b);

// add.cpp：只放定义，只编译一次，生成唯一的 add.o
#include "add.h"
int add(int a, int b) { return a + b; }

数据流：

add.h ──────────────────────────────────────┐
                                             ↓ #include 展开
main.cpp ──→ 预处理器 ──→ 翻译单元 ──→ 编译器 ──→ main.o（add: U）
                                                        ↓
add.cpp ──→ 预处理器 ──→ 翻译单元 ──→ 编译器 ──→ add.o（add: T）──→ 链接器 ──→ my_program

#include "add.h" vs #include <iostream>：

• 双引号：先在当前目录找，找不到再找系统路径
• 尖括号：只找系统路径（标准库、已安装的第三方库）

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六、CMake

手动编译多文件项目繁琐，CMake 通过 CMakeLists.txt 描述项目结构，自动生成编译命令。

最小项目结构：

my_project/
├── CMakeLists.txt
├── add.h
├── add.cpp
└── main.cpp

CMakeLists.txt：

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(my_project)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
add_executable(my_program main.cpp add.cpp)

add_executable(my_program main.cpp add.cpp) 等价于：

g++ -c main.cpp -o main.o
g++ -c add.cpp  -o add.o
g++ main.o add.o -o my_program

漏掉 add.cpp：链接器报 undefined reference to 'add'。

构建命令：

mkdir build && cd build
cmake ..     # 读取 CMakeLists.txt，生成 Makefile
make         # 执行编译和链接
./my_program

工业项目的组织方式： 不把所有文件列入 add_executable，而是用库来组织：

add_library(my_lib add.cpp utils.cpp)
add_executable(my_program main.cpp)
target_link_libraries(my_program my_lib)

大项目每个子目录有自己的 CMakeLists.txt，各自打包成库，顶层用 add_subdirectory 组合。

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参考材料

1. learncpp.com（编译流程）：https://www.learncpp.com/cpp-tutorial/introduction-to-the-preprocessor/
2. CMake Tutorial：https://cmake.org/cmake/help/latest/guide/tutorial/