【补充阅读】程序的生成原理：概述

[RicoloveFeng]

今天的课上讲述了 Linux 下开发程序的过程，可能很多同学听不明白，在这里我们做一些补充。

解释型语言和编译型语言

在 SICP 中，同学们只需要在 .py 文件里面写好你的代码，然后让 python 去运行就完成了。

$ python hello.py

不严谨地说，你可以把 python 看成是一个独立的程序。python 会逐行阅读你在文件里写了什么，然后做对应的事情。

也正是如此，在单步解释器里面，你可以去定义一个函数，只不过缩进打得累一点。

>>> def f(x, y):
...     return x + y
...
>>> f(1, 2)
3
>>>

在这个过程中没有任何的编译。python 就像一个代理人，你告诉 python 干什么，python 理解之后，再告诉机器干什么。

然而，当我们写 C/C++ 程序的时候，并不存在这么一个代理人。编译 C++ 程序会直接生成一个可执行文件。当你运行这个程序的时候，就直接把程序交给机器。机器直接阅读程序内容，然后按部就班地执行。

这就是 python 和 C++ 的区别。

从源代码到程序

机器和 python 不一样，机器并不能直接看懂你写的 .cpp 文件。这就是为什么我们需要编译器。

无论是用 Visual Studio ，还是用 g++，将 .cpp 文件转换成可执行文件，就需要以下几步：

1. 把 .cpp 的各种 #define 展开，包括 #ifdef 之类的也都展开。这个过程叫预处理。
2. 把处理好的 .cpp 文件进行编译，得到一些底层的代码。但是这个过程还只是将「高级语言写的源代码」转换成「底层机器码」，还没有完成程序的生成。
3. 把各个底层代码文件用特殊的格式打包，生成一个可执行文件。这个过程就叫做连接。

这个内容在《程序设计教程》的第18页有。

什么是非集成开发环境

前面说到，制作一个程序，你需要经过【源代码编写->编译为机器代码->运行程序】的过程。

在集成开发环境下，整个过程被整合到了一起。你只需要在 Visual Studio 或者 DevC++ 提供的文本编辑器里面写好 C++ 程序，然后点击按钮，程序就完成运行了。

太快了！很方便！

但是这并不是程序唯一的生成方式。在 Linux 系统下，每一个步骤都能拆分出来。

1. 编辑 .cpp 文件：gedit, vim, vscode，甚至在 Windows 下用记事本写好再拖到虚拟机。什么方式都可以。
2. 编译成可执行文件：我们的课程使用 g++。mac 用户可能也听说过 clang，总之它们都是用来将 .cpp 转换成可执行文件的工具。
3. 运行：在 Windows 下，一个文件是不是可执行文件，是看后缀名（.exe）。如果一个文件是hello.exe这样的，那么你只需要【双击】，就可以运行。
   而在 Linux 下，一个文件是不是可执行文件，并不取决于后缀，而取决于文件的内部属性（ls 就是靠这种属性给不同的文件加上不同颜色的）。
   如果一个程序 program 可以执行，那么在终端里，就可以用 ./program 的方式来执行它。

所以将 WIndows 程序移植到 Linux 下，其实就是让大家不要去点那个 Visual Studio 提供给你的按键，而是学会用命令行工具，一步步地把可执行文件生成出来。

事实上 Visual Studio 内部也有自己的编译器，叫 MSVC，只不过 Visual Studio 已经自动帮我们去调用 MSVC 来生成程序了。将来大家在学习的时候，有可能会接触到一些需要拿 MSVC 单独编译的项目。

使用 g++

g++ 和 python 一样，也是一种在终端使用的命令行工具。既然是命令行工具，就需要在命令中告诉工具「该干什么」，「有哪些参数」。

前面我们提到，生成程序有【预处理 -> 编译 -> 连接】三个步骤。在助教给的 Makefile 中，有如下几条命令：

g++ -c Func1.cpp -o Func1.o

这实际上就是完成了【预处理 -> 编译】这个步骤，将 Func1.cpp 转化为了底层代码 Func1.o。

但是注意了，这还没到连接这一步，因此几个 .o 文件都是不能运行的。真正完成连接的是这条：

g++ Func1.o Func2.o Func3.o main.o command.h -o main

这条指令告诉 g++，把 Func1.o Func2.o Func3.o main.o 以及 command.h 四个文件打包成 main 这个文件。

其实 g++ 很强大，执行 g++ Func1.cpp Func2.cpp Func3.cpp main.cpp command.h -o main 也可以完成编译，一步到位。

g++ 的可用参数其实很多，后续大家学习会接触到，这里我们其实并不需要非常了解怎么使用 g++，直接按模板去写也没有问题。

Makefile 的工作原理

Makefile 实际上就是

菜肴名称：原料
    我怎么做这道菜

例如，我想做一个麦辣鸡腿汉堡，我就要在我的 makefile 里面这么写：

麦辣鸡腿汉堡：面包，炸鸡腿排，青菜
    把食材按照面包、青菜、炸鸡腿排、面包的顺序叠起来

结果后厨一看，面包有了，青菜有了，但是没有炸鸡腿排，只有裹粉生鸡腿排。

于是，我们在 makefile 加一条：

炸鸡腿排：裹粉生鸡腿排
    把裹粉生鸡腿排放入油锅炸好

下次我们再让后厨做麦辣鸡腿汉堡，如果他发现没有炸鸡腿排，他就会发现 makefile 已经告诉他怎么获得炸鸡腿排。

换到程序里面，make 就是后厨，它看我们写的 makefile 来做程序。我们打包可执行文件，就像是要做一个最终成品：

main:Func1.o Func2.o Func3.o command.h main.o
	g++ Func1.o Func2.o Func3.o  main.o command.h -o main

此时 make 就会去确认 Func1.o Func2.o Func3.o command.h main.o 是不是都在。

当然，一开始并没有任何的 .o 文件，因此 make 就会按照 makefile 的余下部分去进行制作。

这也是为什么我们说这里有一个「依赖树」，因为你需要从最原始的材料一步一步搭建程序，而 makefile 就指定了搭建顺序。