前言

在大型項目中，通常會使用 C 或 C++ 語言進行開發，而編譯、鏈接、構建等概念，以及相關工具如 GCC、G++、NVCC、CMake、Make、Makefile 等，是每個開發者都無法繞過的重要內容。這些概念雖然至關重要，但往往容易混淆。因此，本文將簡明扼要地介紹這些概念，幫助讀者更深入地理解編譯、鏈接與構建過程。

源代碼（.c、.cpp）

我們編寫的代碼通常以 .c 或 .cpp 文件的形式存在，這些源代碼文件是人類可讀的，但計算機無法直接理解和執行。
計算機只能理解二進制的機器語言，因此，需要通過編譯將源代碼轉換為機器可以識別的格式，這就涉及到編譯的相關知識。

編譯

編譯的本質

程序員編寫的 .c 和 .cpp 源代碼是人類可讀的，但計算機無法直接理解。為了讓計算機執行這些代碼，需要將其轉換為計算機能夠識別的二進制語言，這個過程就是編譯的本質。

編輯的結果

編譯的結果是目標文件（.o 文件），它包含了經過翻譯但尚未完整鏈接的二進制代碼（機器可以理解的語言）。理解目標文件的作用，有助于更深入地掌握編譯過程。

編譯器（GCC、G++、NVCC 等）

編譯器是將源代碼翻譯為計算機能夠理解的目標文件的“翻譯官”。它負責將人類編寫的 .c、.cpp、.cu 等源代碼轉化為機器可執行的二進制代碼。常見的編譯器包括：

• GCC（GNU Compiler Collection）：主要用于編譯 C 語言的源代碼（.c 文件）。
• G++：是 GCC 的 C++ 編譯器，用于編譯 C++ 語言的源代碼（.cpp 文件）。
• NVCC：NVIDIA CUDA 編譯器，用于編譯并行計算的 CUDA 程序（.cu 文件）。

這些編譯器各自對應不同類型的源代碼文件，執行代碼翻譯的任務。

目標文件（.o）

什么是 .o 目標文件

.c 和 .cpp 源代碼經過編譯后，會生成 .o 目標文件。目標文件是計算機可以理解的二進制代碼，意味著源代碼已經被翻譯成機器語言，程序的執行又向前邁進了一步。

為什么單個 .o 目標文件不能直接執行？

目標文件（.o）本身并不能直接運行，因為它只是編譯后的中間產物，尚未構成完整的可執行程序。通常，一個程序由多個 .c 或 .cpp 文件組成，而 main 函數往往位于其中的一個文件中，負責調用其他模塊的函數。

可以將程序比作一輛汽車：main 函數相當于車架，而各個 .o 文件代表輪子、方向盤、控制臺等組件。單獨的 .o 文件只是一個零件，只有經過鏈接，將所有模塊正確拼接在一起，才能形成最終可運行的程序。

要將這些獨立的目標文件整合成一個可執行程序，就涉及到鏈接的過程。

鏈接

鏈接的本質

當所有 .c 或 .cpp 代碼經過編譯后，都會生成 .o 目標文件。這些 .o 文件雖然已經被翻譯成機器可以識別的語言，但它們彼此獨立，尚無法直接運行。

鏈接就是組裝：
可以將 .o 文件比作汽車的零部件：單獨的目標文件就像輪子、方向盤、發動機等組件，只有經過鏈接，將這些部件正確組裝起來，才能形成一個完整的可執行程序（拼成一個可以跑的汽車）。鏈接的本質，就是將多個 .o 目標文件整合在一起，最終拼接成可以運行的可執行文件。

通常，在所有被鏈接的 .o 目標文件中，只有一個包含 main 主函數，它相當于汽車的車架，而其他 .o 文件則封裝了各種功能模塊（如發動機、剎車系統、座椅等）。鏈接的過程，就是將這個帶有 main 入口的*“車架”與其他“零部件”*拼接在一起，使其成為一個完整可運行的程序。

如果需要鏈接的 .o 文件很多且雜亂怎么辦？

在大型項目中，編譯過程中會生成大量 .o 目標文件。如果直接鏈接所有 .o 文件，不僅會導致項目結構混亂，還會增加管理和分發的難度。

為了解決這個問題，通常會將多個 .o 文件打包成庫文件，即 .so（動態/共享庫） 和 .a（靜態庫）。這些庫文件可以幫助我們更高效地組織、管理和復用代碼，使項目結構更加清晰，鏈接過程也更加簡潔。

庫文件（.a、.so）

為了更方便地管理大量的 .o 目標文件，引入了庫文件的概念。庫文件可以看作是多個 .o 文件的集合，用于提高代碼的組織性和復用性。然而，庫文件分為兩種類型：

• .a（靜態庫）
• .so（動態庫/共享庫）

二者雖然都是 .o 文件的集合，但在使用方式上存在明顯區別。

靜態庫（.a）

靜態庫（.a）本質上是多個 .o 目標文件的打包集合，在編譯時會被直接鏈接到可執行文件中。這種方式可以提高代碼復用性，并減少每次編譯時重復編寫相同代碼的工作量。

然而，靜態庫是固定的，如果庫中的 .o 文件對應的源代碼發生修改，就需要重新編譯修改的部分并更新靜態庫文件，然后再重新鏈接生成新的可執行文件。這意味著每次庫文件更新后，所有依賴該庫的程序都必須重新編譯和鏈接。

動態庫（.so）

動態庫（.so，共享庫）與靜態庫類似，也是多個 .o 目標文件的集合，但它不會在編譯時直接嵌入可執行文件，而是在程序運行時被加載。這種方式減少了可執行文件的體積，并允許多個程序共享同一個庫，從而提高資源利用率。

此外，動態庫是靈活的，如果庫中的 .o 文件對應的源代碼發生修改，只需重新編譯動態庫文件，無需重新編譯和鏈接所有依賴它的程序。程序在運行時會自動加載最新版本的動態庫，因此更新更加便捷。

構建

構建是將源代碼轉化為可執行文件的完整過程，通常包括以下幾個主要步驟：

構建的步驟

1. 清理
   在進行新一輪構建之前，需要先清理掉之前構建的產物，比如刪除舊的目標文件 .o、可執行文件和庫文件等。這一步確保構建環境干凈，避免舊文件影響新一輪構建。

2. 管理依賴
   項目可能依賴外部庫或資源，這時候需要下載、安裝并管理這些依賴，確保它們的版本正確且可用。

3. 編譯
   這一階段將源代碼文件（.c 或 .cpp）編譯成目標文件（.o）。編譯過程將人類可讀的代碼轉化為機器可以理解的中間產物。

4. 鏈接
   鏈接過程將多個目標文件（.o 文件）和庫文件（.a 或 .so 文件）整合、拼接成一個完整的可執行文件，最終生成可以運行的程序。

5. 其他
   在某些構建過程中，還可能涉及其他步驟，如單元測試、部署、打包等，這些步驟根據項目需求可能會有所不同。

自動化構建

如上所述，構建過程包含多個環節，涉及到源代碼的編譯、目標文件的生成、依賴的管理等操作。為了實現高效且自動化的構建，通常會使用構建工具來控制這一過程。

最常見的構建工具是 Make，它通過 Makefile 文件定義的構建規則和依賴關系，從而自動化管理和執行構建步驟。接下來，我們將介紹 Make 工具及其 Makefile 構建規則的相關內容。

構建工具與構建規則（Make、Makefile）

Make 是一種常用的構建工具，它根據 Makefile 中定義的 構建規則 來自動化構建過程。Makefile 中指定了構建目標、依賴關系、編譯器選項、可執行文件名等具體的構建命令。
然而，Make 的一些局限性也較為明顯：它的語法較為底層，可讀性較差，并且對多平臺兼容性較弱（例如，它通常只適用于 UNIX 系統，而在其他平臺的構建可能會遇到困難）。

為了克服這些問題，CMake 應運而生。CMake 是一個更高級的構建配置工具，它通過平臺無關的配置文件生成適用于不同平臺的構建文件（例如 Makefile 或 Visual Studio 工程文件），從而解決了多平臺兼容性和可讀性差的問題。

構建配置工具與構建配置文件（CMake、CMakeLists）

正如前文所述，CMake 是一個高級的構建配置工具，它通過讀取 CMakeLists.txt 文件中定義的構建配置來生成適應不同平臺的構建規則。CMake 會根據 CMakeLists.txt 中的內容，自動生成對應的構建文件（例如 Makefile 或 Visual Studio 工程文件），然后調用相應的構建工具（如 make）來執行構建過程。

相較于 Make，CMake 提供了更高層次的抽象，具有更強的實用性和更好的跨平臺兼容性。因此，CMake 在大型項目中得到了更廣泛的應用，尤其是在需要支持多平臺構建時，CMake 和 CMakeLists.txt 文件成為了主流的選擇。