重拾 C++：Ubuntu开发环境下的C++学习

备注：还记得第一次学习 C++ 是 2018 年，大学刚入学时，连写一个 Hello World 都要折腾半天。如今已熟练掌握各种 Hello World 写法 (¬‿¬)。毕业后从 Java 转到 C#，如今投身嵌入式开发也快一年了。趁着有空，把 C++ 再系统学一遍！

一、系统与编译器环境信息

1. 查看 Ubuntu 系统版本

css 复制代码

lsb_release -a

输出示例：

yaml 复制代码

No LSB modules are available.
Distributor ID:    Ubuntu
Description:       Ubuntu 24.04.3 LTS
Release:           24.04
Codename:          noble

Ubuntu 24.04 LTS 是长期支持版本，稳定性高，非常适合 Linux 学习。

2. 查看 g++ 编译器版本

css 复制代码

g++ --version

输出示例：

scss 复制代码

g++ (Ubuntu 13.3.0-6ubuntu2~24.04) 13.3.0

3. 主流 C++ 编译器对比

编译器	特点	适用场景
GCC (g++)	开源免费、兼容性强、多平台支持，嵌入式主流选择	Ubuntu 默认
Clang	编译速度快、错误提示清晰、基于 LLVM 架构	对编译效率和诊断信息要求高的场景

二、基础实操：编写并运行第一个 C++ 程序

以经典的 Hello World 为例，完整演示从创建文件到运行程序的全流程。

1. 创建项目目录

bash 复制代码

cd ~/Desktop
mkdir learncpp && cd learncpp

2. 使用 Vim 编写 C++ 代码

复制代码

vim hello.cpp

输入以下代码：

c 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, world!" << endl;
    return 0;
}

3. 编译并运行程序

bash 复制代码

# 编译
g++ hello.cpp -o hello

# 运行
./hello

输出：

复制代码

Hello, world!

三、深入理解：G++ 编译的四个阶段

C++ 源码 → 可执行文件的过程分为四步：预处理 → 编译 → 汇编 → 链接。

示例源文件 hello.cpp：

c 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    cout << "Hello, world!" << endl;
    return 0;
}

3.1 阶段一：预处理（Preprocessing）

作用：

展开头文件（#include），将指定的头文件内容原封不动地插入到 #include 指令所在的位置。
- 示例：
  arduino 复制代码
```
#include <iostream>
```
  预处理器会找到标准库中的 stdio.h 文件，并将其全部内容复制粘贴到当前源文件中。
  
  注意：
  - #include <...> 通常用于系统头文件，搜索路径由编译器预定义；
  - #include "..." 优先在当前目录或用户指定路径中查找，常用于自定义头文件。
替换宏（#define），将宏名替换成其定义的内容，属于纯文本替换。
- 示例：
  
  对象式宏（无参数）
  arduino 复制代码
```
#define PI 3.1415926
```
  所有出现 PI 的地方都会被替换为 3.14159。
- 函数式宏（有参数）
  css 复制代码
```
#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
```
  调用 MAX(x, y) 会被替换为 ((x) > (y) ? (x) : (y))，这里为什么参数都要带括号，感兴趣的可以自己去了解一下。
处理 条件编译（#if, #ifdef, #ifndef, #else, #elif, #endif） ，根据预定义的宏或表达式的真假，选择性地包含或排除代码块
- 常见用于：跨平台兼容、调试开关、防止头文件重复包含
删除注释，字面意思，就是删除所有注释，减少后续编译器负担，预处理后的代码中不再包含任何注释。
- 注意：
  - 注释被删除后，通常用空格或者换行代替，用来保持代码结构不变，避免两个token被意外拼接。
undef：取消已定义的宏
pragma：向编译器传递指定指令
行控制：添加行号和文件标识，以便编译时产生报告错误/警告时的行号和文件名

命令：

复制代码

g++ -E hello.cpp -o hello.i

查看结果（末尾部分） ：

bash 复制代码

cat hello.i | tail -n 20

c 复制代码

extern wistream wcin;
  extern wostream wcout;
  extern wostream wcerr;
  extern wostream wclog;
# 82 "/usr/include/c++/13/iostream" 3
  __extension__ __asm (".globl _ZSt21ios_base_library_initv");



}
# 2 "hello.cpp" 2


# 3 "hello.cpp"
using namespace std;

int main(void) {
 cout << "Hello world!"<< endl;
 return 0;
}

3.2 阶段二：编译（Compilation → 生成汇编）

作用：将 C++ 代码翻译为目标平台的汇编语言（如 x86-64）。

命令：

复制代码

g++ -S hello.cpp -o hello.s

查看汇编代码：

bash 复制代码

cat hello.s

perl 复制代码

.file   "hello.cpp"
    .text
#APP
    .globl _ZSt21ios_base_library_initv
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "Hello world!"
#NO_APP
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB1988:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    leaq    .LC0(%rip), %rax
    movq    %rax, %rsi
    leaq    _ZSt4cout(%rip), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@PLT
    movq    _ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_@GOTPCREL(%rip), %rdx
    ......

3.3 阶段三：汇编（Assembly → 生成目标文件）

作用：将 .s 汇编文件转为机器码，生成 .o 目标文件。

命令：

r 复制代码

g++ -c hello.cpp -o hello.o

验证文件类型：

arduino 复制代码

file hello.o
hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

.o 文件是"可重定位"的，尚未链接库函数。

3.4 阶段四：链接（Linking → 生成可执行文件）

作用：

合并 .o 文件与系统库（如 libstdc++, libc ）
解析未定义符号（如 std::cout）
设置程序入口（_start）

命令：

bash 复制代码

g++ hello.o -o hello
# 或一步到位：
g++ hello.cpp -o hello

查看动态依赖：

复制代码

ldd hello

输出：

bash 复制代码

linux-vdso.so.1
libstdc++.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
libc.so.6      => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
...

所有外部符号均已正确链接。

四、常用 G++ 参数详解（按功能分类）

基础编译控制

参数	说明
`-o file`	指定输出文件名
`-c`	仅生成 `.o`，不链接
`-E`	仅预处理
`-S`	仅生成汇编（`.s`）
`-v`	显示详细编译过程

标准与警告

参数	说明
`-std=c++17` / `c++20`	指定 C++ 标准
`-Wall`	启用常见警告
`-Wextra`	启用额外警告
`-Werror`	警告视为错误
`-pedantic`	严格遵循 ISO C++ 标准

推荐组合：g++ -std=c++20 -Wall -Wextra -O2

优化选项

参数	说明
`-O0`	无优化（默认，便于调试）
`-O1` / `-O2`	中等/较高优化
`-O3`	激进优化（可能增大体积）
`-Os`	优化代码大小
`-g`	生成调试信息（供 GDB 使用）

预处理器控制

参数	说明
`-DNAME=value`	定义宏（如 `-DDEBUG=1`）
`-UNAME`	取消定义宏
`-I/path/to/include`	添加头文件搜索路径
`-MM`	生成 Makefile 依赖关系

链接控制

参数	说明
`-L/path/to/lib`	添加库搜索路径
`-lxxx`	链接 `libxxx.so`（如 `-lpthread`）
`-static`	静态链接所有库（生成独立可执行文件）
`-shared`	生成共享库（`.so`）
`-Wl,option`	向链接器传递参数（如 `-Wl,-rpath,/my/lib`）

调试与分析

参数	说明
`-g`	生成调试符号
`-fno-omit-frame-pointer`	保留帧指针，便于性能分析
`-save-temps`	保留中间文件（`.i`, `.s`, `.o`）
`-ftime-report`	显示各阶段耗时

五、示例

csharp 复制代码

# 1. 预处理（保留所有宏定义）
g++ -E -dD hello.cpp > hello.i

# 2. 编译为 Intel 汇编（带注释，-O2 优化）
g++ -S -fverbose-asm -masm=intel -O2 hello.cpp -o hello.s

# 3. 汇编为目标文件（可用 as 或 g++）
g++ -c hello.s -o hello.o

# 4. 静态链接 libstdc++ 和 libgcc
g++ hello.o -static-libstdc++ -static-libgcc -o hello_static

# 5. 查看符号表（确认 cout 是否链接）
nm hello | grep cout

六、调试与分析技巧

1. 查看完整编译过程

复制代码

g++ -v hello.cpp -o hello

显示调用的 cpp → cc1plus → as → ld 等子工具。

2. 保留中间文件

bash 复制代码

g++ -save-temps hello.cpp -o hello
# 自动生成 hello.i, hello.s, hello.o

3. 生成 Makefile 依赖

shell 复制代码

g++ -MM hello.cpp
# 输出：hello.o: hello.cpp /usr/include/c++/.../iostream ...

附录：编译阶段速查表

阶段	输入	输出	命令标志
预处理	.cpp	.i	-E
编译	.i	.s	-S
汇编	.s	.o	-c
链接	.o + 库	可执行文件	（默认）