【C++】泛型编程 ⑤ ( 函数模板原理 | C++ 编译器原理 | C / C++ 编译器编译过程 | 分析模板函数代码汇编文件 | 编译模板函数代码汇编文件 | 模板函数汇编分析总结 )

雨点打透心脏的1/2处 2024-02-17 08:20 46阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、C++ 编译器原理
 *   *  1、gcc 编译器简介
     *  2、C / C++ 编译器编译过程
     *  3、gcc 编译器各阶段命令
     *   *  ① 预处理 Pre-Processing ( 预处理器 )
         *  ② 编译 Compiling ( 编译器 )
         *  ③ 汇编 Assembling ( 汇编器 )
         *  ④ 链接 Linking ( 链接器器 )
     *  4、gcc 编译器 与 g++ 编译器 的区别
     *  5、gcc / g++ 编译器常用命令选项
 *  二、分析 模板函数代码 汇编文件
 *   *  1、编译 模板函数代码 汇编文件
     *  2、分析 模板函数代码 汇编文件
     *  3、模板函数代码 汇编文件 分析总结 ( 重要 )

在前面几篇博客

*  [【C++】泛型编程 ③ ( 函数模板 与 普通函数 调用规则 | 类型匹配 | 显式指定函数模板泛型类型 )][C_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _]
 *  [【C++】泛型编程 ④ ( 函数模板 与 普通函数 调用规则 | 类型自动转换 | 类型自动转换 + 显式指定泛型类型 )][C_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _]

中 , 函数模板 可以与 重载的 普通函数 放在一起 , 二者之间 的调用 有 不同的优先级 ;

在一定程度上 , 说明 函数模板 和 普通函数 有着相似性 ,

在本篇博客中 分析 C++ 编译器的 函数模板 实现底层机制 ;

## 一、C++ 编译器原理 ##

--------------------

### 1、gcc 编译器简介 ###

gcc 编译器 英文名称是 " GNU C Compiler " ,

*  支持编译多种语言 , 可以解析不同的语言 , 如 : C , C++ , Java , Pascal 等语言 ;
 *  是可移植编译器 ;
    
     *  支持多种平台 , 如 : Linux , Windows , Mac 等 ;
     *  gcc 编译器 不仅可以编译 普通的 C 语言应用程序源码 , 还能编译 Linux 内核 ;
     *  支持交叉编译 , 如 : 在 x86 硬件上编译 arm 程序 ;
 *  模块化设计 : gcc 编译器是按照模块化设计的 , 可以加入新的编程语言和新的 CPU 架构 ;

### 2、C / C++ 编译器编译过程 ###

参考 [【C 语言】编译过程 分析 ( 预处理 | 编译 | 汇编 | 链接 | 宏定义 | 条件编译 | 编译器指示字 )][C _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _] 博客 , C 语言 程序的编译 需要经过 预处理 , 编译 , 汇编 , 链接 操作 , 分别需要使用 预处理器 , 编译器 , 汇编器 , 链接器 四个工具 ;

![在这里插入图片描述][015b024a2259409b8d449ca89edaf7b2.png]

集成开发环境 将 预处理器 , 编译器 , 汇编器 , 链接器 四个工具 集成到了一起 ;

打开 Visual Studio 中解决方案 所在目录 , 其中就有 编译过程 中产生的大量的 中间文件 ;

![在这里插入图片描述][d1fbb4e7200846c1ba147869d1852164.png]

### 3、gcc 编译器各阶段命令 ###

#### ① 预处理 Pre-Processing ( 预处理器 ) ####

**预处理 Pre-Processing :** 展开 宏定义 , 得到预处理文件 ;

gcc Test.c -o Test.i

也可以加上 -E 选项 ;

gcc -E Test.c -o Test.i

#### ② 编译 Compiling ( 编译器 ) ####

**编译 Compiling :** 将预处理文件编译成 汇编文件 ;

gcc Test.i -o Test.S

**直接从 Test.c 源码生成 汇编文件 :**

gcc -S Test.c -o Test.S

#### ③ 汇编 Assembling ( 汇编器 ) ####

**汇编 Assembling :** 将 汇编文件 编译成 二进制机器码文件 ;

gcc Test.S -o Test.o

**直接从 Test.c 源码生成 机器码文件 :**

gcc -c Test.c -o Test.o

#### ④ 链接 Linking ( 链接器器 ) ####

**链接 Linking :** 将 二进制机器码文件 链接成 可执行文件 ;

gcc Test.o -o Test.exe

**直接生成可执行文件 :**

*  **生成默认的 a.exe 可执行文件命令 :**

gcc Test.c

*  **指定要生成的 可执行 文件名称 命令 :**

gcc Test.c -o Test.exe

**编译 C++ 代码 , 将 gcc 改为 g++ 即可 ;**

### 4、gcc 编译器 与 g++ 编译器 的区别 ###

**gcc 编译器 与 g++ 编译器 的区别如下 :**

*  **语言区别 :** gcc 编译器 是 C 语言编译器 , 编译后缀为 .c 的文件 ; g++ 编译器 是 C++ 编译器 , 编译后缀为 .cpp 的文件 和 后缀为 .c 的文件 , 两者都当C++文件处理 ;
 *  **编译阶段区别 :** 在编译阶段 , g++ 编译器 会自动链接 STL 库 , 而 gcc 必须要加一个参数 -lstdc++ ;
 *  **预定义宏区别 :** gcc 在编译 c 文件时 , 可用的预定义宏比较少 ;
 *  **链接阶段区别 :** 通常使用 g++ 来完成链接，为了统一起见，干脆 编译 / 链接 统统用g++了。
 *  **语法区别 :** 虽然 C++ 语言 是 C 语言 的超集 , 但是两者对语法的要求是有区别的，C++的语法规则更加严谨一些 ;

### 5、gcc / g++ 编译器常用命令选项 ###

**gcc / g++ 编译器常用命令选项 :**

*  **-o 选项 :** 产生目标文件 , 可以是 .i 预处理文件、.s 汇编文件、.o 二进制机器码文件、可执行文件等 ;
 *  **-c 选项 :** 通知 gcc 编译器 取消链接步骤 , 只生成 .o 二进制机器码文件 ;
 *  **-E 选项 :** 只运行 C 预编译器 , 得到 .i 预处理文件 ;
 *  **-S 选项 :** 通知 gcc 编译器产生汇编语言文件后停止编译 , 也就是只执行 前两步操作 , 产生 .i 预处理文件 和 .s 汇编语言文件 ;
 *  **-Wall 选项 :** 打开编译器警告选项 , 如果源码有问题 , 会发出警告 ;
 *  \-**Idir 选项 :** 将 dir 目录加入搜索头文件的目录路径 ;
 *  **-Ldir 选项 :** 将 dir 目录加入搜索库的目录路径 ;
 *  **-llib 选项 :** 链接 lib 库 ;
 *  **-g 选项 :** 在 .o 目标文件 中嵌入调试信息 , 以便 gdb 之类的调试程序调试 ;

## 二、分析 模板函数代码 汇编文件 ##

--------------------

### 1、编译 模板函数代码 汇编文件 ###

在 Test.c 中定义一个简单 函数模板 , 然后再 main 函数中调用该 函数模板 ,

#include "iostream"
    using namespace std;
    
    template <typename T>
    T add(T a, T b) {
        
    	cout << "调用函数模板 T add(T a, T b)" << endl;
    	return a + b;
    }
    
    int main() {
        
    
    	int a = 10, b = 20; 
    	int c = add(a, b);
    	cout << "函数模板计算结果 : c = " << c << endl;
    
    	return 0;
    }

执行

g++ -S Test.cpp -o Test.S

命令 , 生成 该 C++ 源码对应的汇编文件 ;

![在这里插入图片描述][4efe57e2d3e84d13a4edc1cd0fda816c.png]

**生成的汇编文件 Test.S 内容如下 :**

.file	"Test.cpp"
    .lcomm __ZStL8__ioinit,1,1
    	.def	___main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.section .rdata,"dr"
    	.align 4
    LC0:
    	.ascii "\345\207\275\346\225\260\346\250\241\346\235\277\350\256\241\347\256\227\347\273\223\346\236\234 : c = \0"
    	.text
    	.globl	_main
    	.def	_main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    _main:
    	leal	4(%esp), %ecx
    	andl	$-16, %esp
    	pushl	-4(%ecx)
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	pushl	%ecx
    	subl	$36, %esp
    	call	___main
    	movl	$10, -12(%ebp)
    	movl	$20, -16(%ebp)
    	movl	-16(%ebp), %eax
    	movl	%eax, 4(%esp)
    	movl	-12(%ebp), %eax
    	movl	%eax, (%esp)
    	call	__Z3addIiET_S0_S0_
    	movl	%eax, -20(%ebp)
    	movl	$LC0, 4(%esp)
    	movl	$__ZSt4cout, (%esp)
    	call	__ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc
    	movl	%eax, %edx
    	movl	-20(%ebp), %eax
    	movl	%eax, (%esp)
    	movl	%edx, %ecx
    	call	__ZNSolsEi
    	subl	$4, %esp
    	movl	$__ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, (%esp)
    	movl	%eax, %ecx
    	call	__ZNSolsEPFRSoS_E
    	subl	$4, %esp
    	movl	$0, %eax
    	movl	-4(%ebp), %ecx
    	leave
    	leal	-4(%ecx), %esp
    	ret
    	.section .rdata,"dr"
    	.align 4
    LC1:
    	.ascii "\350\260\203\347\224\250\345\207\275\346\225\260\346\250\241\346\235\277 T add(T a, T b)\0"
    	.section	.text$_Z3addIiET_S0_S0_,"x"
    	.linkonce discard
    	.globl	__Z3addIiET_S0_S0_
    	.def	__Z3addIiET_S0_S0_;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    __Z3addIiET_S0_S0_:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$24, %esp
    	movl	$LC1, 4(%esp)
    	movl	$__ZSt4cout, (%esp)
    	call	__ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc
    	movl	$__ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, (%esp)
    	movl	%eax, %ecx
    	call	__ZNSolsEPFRSoS_E
    	subl	$4, %esp
    	movl	8(%ebp), %edx
    	movl	12(%ebp), %eax
    	addl	%edx, %eax
    	leave
    	ret
    	.text
    	.def	___tcf_0;	.scl	3;	.type	32;	.endef
    ___tcf_0:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$8, %esp
    	movl	$__ZStL8__ioinit, %ecx
    	call	__ZNSt8ios_base4InitD1Ev
    	leave
    	ret
    	.def	__Z41__static_initialization_and_destruction_0ii;	.scl	3;	.type	32;	.endef
    __Z41__static_initialization_and_destruction_0ii:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$24, %esp
    	cmpl	$1, 8(%ebp)
    	jne	L6
    	cmpl	$65535, 12(%ebp)
    	jne	L6
    	movl	$__ZStL8__ioinit, %ecx
    	call	__ZNSt8ios_base4InitC1Ev
    	movl	$___tcf_0, (%esp)
    	call	_atexit
    L6:
    	leave
    	ret
    	.def	__GLOBAL__sub_I_main;	.scl	3;	.type	32;	.endef
    __GLOBAL__sub_I_main:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$24, %esp
    	movl	$65535, 4(%esp)
    	movl	$1, (%esp)
    	call	__Z41__static_initialization_and_destruction_0ii
    	leave
    	ret
    	.section	.ctors,"w"
    	.align 4
    	.long	__GLOBAL__sub_I_main
    	.ident	"GCC: (i686-posix-sjlj, built by strawberryperl.com project) 4.9.2"
    	.def	__ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	__ZNSolsEi;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	__ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	__ZNSolsEPFRSoS_E;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	__ZNSt8ios_base4InitD1Ev;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	__ZNSt8ios_base4InitC1Ev;	.scl	2;	.type	32;	.endef
    	.def	_atexit;	.scl	2;	.type	32;	.endef

### 2、分析 模板函数代码 汇编文件 ###

`.file "Test.cpp"` 表示这是 Test.cpp 源码的 汇编文件 ;

`.text` 表示 下面是代码 ;

`_main:` 表示 后面是 main 函数 ;

`call __Z3addIiET_S0_S0_` 调用的是 函数模板 , 下面看函数模板的 汇编内容 :

函数模板 的 函数声明 对应的汇编如下 :

LC1:
    	.ascii "\350\260\203\347\224\250\345\207\275\346\225\260\346\250\241\346\235\277 T add(T a, T b)\0"
    	.section	.text$_Z3addIiET_S0_S0_,"x"
    	.linkonce discard
    	.globl	__Z3addIiET_S0_S0_
    	.def	__Z3addIiET_S0_S0_;	.scl	2;	.type	32;	.endef

这是一个模板函数的汇编版本，函数名为add，它接受两个参数，都是int类型（T在上下文中可以推断为int）。

*  `.ascii "\350\260\203\347\224\250\345\207\275\346\225\260\346\250\241\346\235\277 T add(T a, T b)\0"` 这行代码是一个ASCII字符串，它表示函数模板的名称和一些模板参数。这个字符串在汇编代码中可能不会直接出现，而是由编译器插入的。
 *  `.section .text$_Z3addIiET_S0_S0_,"x"` 这行代码定义了一个section（段），其中`$_Z3addIiET_S0_S0_`是该section的名称。Section名称通常是由编译器生成的，用于存储特定类型的代码或数据。在这种情况下，该section包含的是add函数的实现。"x"表示该section是可执行的。
 *  `.linkonce discard` 这个指示告诉链接器，如果该文件在其他地方被链接了，就丢弃重复的代码。这是一种优化手段，可以避免在最终的可执行文件中包含重复的代码。
 *  `.globl __Z3addIiET_S0_S0_` 这行代码声明了全局符号`__Z3addIiET_S0_S0_`。在C++中，编译器会为每个模板函数生成一个特定的符号名称，这是模板函数的实例化。
 *  `.def __Z3addIiET_S0_S0_; .scl 2; .type 32; .endef` 这行代码定义了符号\_\_Z3addIiET\_S0\_S0\_，并设置了一些属性。这些属性可能是由链接器或其他工具使用的，以确定如何处理该符号。

**函数模板 的 函数体内容 回应的汇编如下 :**

__Z3addIiET_S0_S0_:
    	pushl	%ebp
    	movl	%esp, %ebp
    	subl	$24, %esp
    	movl	$LC1, 4(%esp)
    	movl	$__ZSt4cout, (%esp)	# 开始打印日志
    	call	__ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc
    	movl	$__ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, (%esp)
    	movl	%eax, %ecx
    	call	__ZNSolsEPFRSoS_E 	# 打印日志结束
    	subl	$4, %esp
    	movl	8(%ebp), %edx
    	movl	12(%ebp), %eax
    	addl	%edx, %eax
    	leave
    	ret
    	.text
    	.def	___tcf_0;	.scl	3;	.type	32;	.endef

**对应的 C++ 代码如下 :**

template <typename T>
    T add(T a, T b) {
        
    	cout << "调用函数模板 T add(T a, T b)" << endl;
    	return a + b;
    }

打印日志

cout << "调用函数模板 T add(T a, T b)" << endl;

对应的汇编内容 :

movl	$__ZSt4cout, (%esp)	# 开始打印日志
    	call	__ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc
    	movl	$__ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, (%esp)
    	movl	%eax, %ecx
    	call	__ZNSolsEPFRSoS_E 	# 打印日志结束

### 3、模板函数代码 汇编文件 分析总结 ( 重要 ) ###

**C++ 编译器 将 函数模板 编译成了 汇编函数 `call __Z3addIiET_S0_S0_` ;**

**如果 向 函数模板 中传入不同的函数 , 会生成 多个不同的 汇编函数 ;**

**C++ 编译器 编译 函数模板 时 , 不会生成能处理任意类型参数的 函数 ,**

**而是 通过 函数模板 , 根据 实际传入的参数类型 生成 具体的 参数类型不同 的函数 ;**

**如果 函数模板 和 普通函数 定义在了一起 ,**

**则 C++ 编译器 编译 汇编文件 时 , 就直接使用 普通函数 替代 为 函数模板 重新生成一个 函数实例 ;**

**C++ 编译器 通过 两次编译 实现上述效果 ;**

*  第一次编译 会对 函数模板 进行 语法分析 , 词法分析 , 句法分析 , 生成简单的 函数模板 模型 ;
 *  第二次编译 根据 调用时 传入的实际数据类型 , 产生新的 函数模型 ;

如果 调用多次 , 那么会产生多个 新的函数模型 ;

[C_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _]: https://hanshuliang.blog.csdn.net/article/details/134413116?spm=1001.2014.3001.5502
[C_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _]: https://hanshuliang.blog.csdn.net/article/details/134416480?spm=1001.2014.3001.5502
[C _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _]: https://blog.csdn.net/shulianghan/article/details/78524438
[015b024a2259409b8d449ca89edaf7b2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/0280e8a550054a238d581fd26bcde7fe.png
[d1fbb4e7200846c1ba147869d1852164.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/554d6719b3db4be69812c8bd674f5495.png
[4efe57e2d3e84d13a4edc1cd0fda816c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/e720a98eeae74cd88c3d1874c9d71e9b.png