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title: 編譯器
tags: 7th 教學
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# C++與編譯器

> Author: PixelCat

> **章節目錄**
> [TOC]

C++ 是一個編譯式的程式語言。也就是說，給人看的程式碼會先經過「編譯」，成為給機器看的執行檔才被執行；相對於 python 之類直譯式語言。本篇概略介紹 C++ 的編譯器如何運作、以及在競賽中如何利用強大的編譯器為自己所用。

本篇所有指令使用 g++ (GCC) 12.1.0 編譯器。多數 linux 發行版有內建； windows 使用者可以安裝 MinGW （使用 Dev-c++ 或 Code::blocks 自帶的 MinGW 也可以）；而 MacOS 因為我沒用過所以請自行解決 QQ

我寫這篇的目標讀者基本上是所有人，所以可以直接從自己需要的地方開始看。

## 前言：IDE的一條龍服務

多數 C++ 初心者會選擇使用一個 IDE 來寫程式，例如 Dev-C++ 或 Code::blocks ，我也不例外。在這些 IDE 通常會有幾個按鍵是寫程式第一天就認識的（圖為 Dev-C++ ）


他們分別是編譯、執行、編譯並執行。當你寫好一份程式，只要戳戳編譯再戳戳執行，程式就跑起來了，但是他們在背後做了什麼事？他做的事真的是我想做的事嗎？

## 編譯語言

> 編譯語言（英語：Compiled language）是一種程式語言類型，通過編譯器來實作。它不像直譯語言一樣，由直譯器將程式碼一句一句執行，而是以編譯器，先將程式碼編譯為機器碼，再加以執行。
> —維基百科〈編譯語言〉

C++ 是一種編譯語言。也就是說，一份程式碼不能直接執行（他就只是一份純文字檔），這份文字檔要給「編譯器」一番操作才能變成可以執行的機器碼。


這個召喚編譯器出來做事的過程都給 IDE 做好了，但是編譯器如此強大，IDE 不一定能夠幫我們榨乾編譯器的能力，假如我們能直接跟編譯器對話，就可以讓他針對我們的需求提供服務了！

因為現在多數 OJ 使用的編譯器都是 g++ ，所以本篇也用 g++ 作為範例。

## 命令列手動編譯

我們現在有一份 C++ 程式碼，用任何文字編輯器寫出來都可以

// test.cpp
#include <iostream>

int main(){
    std::string s;
    std::cin >> s;
    std::cout << "Hello, " << s << "!" << std::endl;
    return 0;
}

這時要召喚編譯器（g++），我們可以在 terminal（windows下面叫命令提示字元）找到這個檔案所在的資料夾，說：（錢號是本來就有的提示字元，不要理他）

$ g++ test.cpp

現在你會看到一個新的 `a.out` （在 windows 下可能是 `a.exe`），像這樣執行他

$ ./a.out

他跑起來了！

$ ls
test.cpp
$ g++ test.cpp
$ ls
a.out  test.cpp
$ ./a.out
meowowo
Hello, meowowo!

這樣，我們就會編譯了。

所以前面講這麼多只為了這幾個字？當然不是。編譯器何其強大，我們絕對不會滿足於此。

### 編譯指令

我們需要編譯指令來召喚 g++ ，同時吩咐他一些事情。一個完整的編譯指令包含三個部份

$ g++ [options] file...

1. `g++`：這是編譯器的名字
2. `file...`：你要編譯的檔案（們），在競程的場合通常都只會有一個檔案
3. `[options]`：也就是「編譯選項」，他能讓 g++ 針對我們的需求做一些比較酷的事，這才是好玩的部份

我們的目標是透過加入各種編譯選項來調教編譯器。加入一個編譯選項可能會像這樣：

$ g++ -o test.out test.cpp

剛剛跑出來的 `a.out` 不見了，取而代之的是 `test.out` 。這是因為我們加入了編譯選項 `-o test.out` ，他的功能是把輸出的執行檔命名為你指定的名字（`test.out`）而不是預設的 `a.out` 。

### IDE 的編譯指令

<span style="color:red;">
TODO: 並未經過實測（因為我現在的系統沒有 dev-c++ 和 code::blocks）
</span>

在許多 IDE 中，雖然都已經有預設的編譯指令，但是你還是可以在設定中加入自己想要的編譯選項。以 Dev-C++ 來說他在 Tools > Compiler Options > "Add the folowing commands when calling compiler" ，寫在這格的編譯選項會在 IDE 幫你編譯時被加入。

## 常用、常見編譯選項（競程向）

有些編譯選項特別常使用，在這裡列出來，可以自由選用。我會建議選一些你覺得好用的選項，背起來，就像打模板一樣在比賽一開始加入自己的編輯器/IDE 設定，也許可以讓你寫程式舒服一點。一些這裡沒提到、我沒用過、但是可能有用的選項可以看[這篇 CF blog][cf-sanitizers]。

### 一般類

- `-o {file}`
將輸出檔命名為 `{file}` 。通常這個不用動，因為 IDE 都幫你設定好了。

- `-std=XXX`
這裡 `XXX` 可以是 `c++11`、`c++14`、`c++17`、`c++20` 之類的，代表你要用哪個語法標準。現在多數比賽會選用 `c++14` 或 `c++17` ，賽前應該要先搞清楚，以免用到新語法才發現噴一坨 CE 。而多數主流 OJ 都已經支援到 `c++17` 以上所以比較不用擔心。

:::spoiler 關於語法標準
C\+\+ 的語法是會隨時間演進的，每三年會公佈一版新的語法標準，但是通常不會所有人都一瞬間跑去用新標準。現在最新的標準是 2020 年釋出的 c\+\+20 ，預計[明年](https://en.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B23)會再有新標準。
有些新的語法在新標準才能用，比如說auto的用法在 c\+\+11 和 c\+\+14 不一樣、或者像 `auto [a,b,c] = some_tuple` 之類的語法在 [c\+\+17](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/structured_binding) 以後才能用。我自己平常都是使用 c\+\+14 ，幾乎所有比賽都有支援到至少這個標準以上。
另外，假如你指定了語法標準，編譯器卻抱怨他不知道這啥，有可能是你的編譯器太老了，更新編譯器應該就能解決。
:::

- `-DXXX`/`-D XXX`
這裡的 `XXX` 可以是任何你想塞的東西，相當於加入前置處理器 `#define XXX` 。

### 編譯優化類

- `-O0`/`-O1`/`-O2`/`-O3`/`-Ofast`
各種編譯優化，從 `-O0` 的什麼都不做，到越右邊的做越多優化。大部分時候 judge 會幫你開 `-O2` ，包含各種已知開了不虧的選項。到 `-O3` `-Ofast` 會有一些可能有副作用的優化，可能導致你的程式反而變慢甚至改變程式碼的行為。

**不要期望開了編譯優化就可以讓你的程式飛快從 O(N) 變 O(1) ，編譯優化效果有限請斟酌使用。**

### 編譯警告類

- `-Wall`
很多警告。開警告可以幫你找到潛在的 bug ，我不知道詳細來說他包含哪些警告，但是我一律建議開著，這會幫助你預先找到一些不小心寫出來很低能的問題。

- `-Wextra`
更多警告，我依然一律建議開著。

- `-Wshadow`
警告你有沒有 shadow 到一個變數，也就是說，一個區域變數跟外層的變數撞名了。常見的是你兩層迴圈用到同一個變數名

  for(int i=0;i<n;i++){
      // some looooong code
      for(int i=0;i<m;i++){
          //...
      }
  }

這樣他就會跟你說，欸，內層的 i 跟外層的撞名了，這可能不是你想要的。

- `-Wconversion`
在你想把某份資料塞到型別不同的變數，中間可能會有東西不見的時候提醒你。比如說把某個 `long long` 的資料塞進 `int` ，這樣他就會跟你說可能資料會出問題。

### sanitizers ~~消毒器~~ 與 debug 選項類

需要注意的是這幾個選項通常會（跟前面幾個選項比起來）增加不少編譯時間，斟酌使用。

- `-fsanitize=address`
在執行時間幫你抓到陣列亂戳之類的記憶體存取錯誤

- `-fsanitize=undefined`
在執行時間幫你抓到一些未定義行為

- `-D_GLIBCXX_DEBUG`
讓你的 STL 容器和函數們在執行時間抓到一些錯誤，例如 vector 戳出界之類的。**大幅增加編譯時間**。

### TL;DR

所以，把所有選項串在一起，我自己在用的的編譯指令長這樣：

$ g++ -o {file}.out -std=c++14 -D LOCAL -O2 -Wall -Wextra -Wshadow -Wconversion {file}.cpp

其中， `{file}` 是檔案名稱， `-D LOCAL` 的目的在後面會說明。我自己沒有開 `-fsanitize` 和 `-D_GLIBCXX_DEBUG` 是因為我覺得沒那麼常用到而且我不想每次都等他編譯那麼久，假如你覺得有賺當然都可以加進去。

## 編譯器的一條龍服務

## 常用、常見前置處理器（競程向）

## 我不是小孩子

## 參考資料

1. [GCC #pragma 前置處理器（CF blog）][cf-pragma]
2. [GCC 除錯選項（CF blog）][cf-sanitizers]
3. 程式設計師的自我修養－連結、載入、程式庫（實體書）

本篇圖片素材部份取自 [PNG repo](https://www.pngrepo.com/) ，其餘皆為自製。

<!-- reference links -->
[cf-pragma]: <https://codeforces.com/blog/entry/96344> "[Tutorial] GCC Optimization Pragmas - Codeforces"
[cf-sanitizers]: <https://codeforces.com/blog/entry/15547> "Catching silly mistakes with GCC - Codeforces"