Компоновка программ, препроцессор

Компоновка нескольких файлов в одну программу

Программа – это, прежде всего, текст на языке Си++. С помощью компилятора текст преобразуется в исполняемый файл – форму, позволяющую компьютеру выполнять программу.

Если мы рассмотрим этот процесс чуть более подробно, то выяснится, что обработка исходных файлов происходит в три этапа. Сначала файл обрабатывается препроцессором, который выполняет директивы #include, #define и еще несколько других. После этого программа все еще представлена в виде текстового файла, хотя и измененного по сравнению с первоначальным. Затем, на втором этапе, компилятор создает так называемый объектный файл. Программа уже переведена в машинные инструкции, однако еще не полностью готова к выполнению. В объектном файле имеются ссылки на различные системные функции и на стандартные функции языка Си++. Например, выполнение операции new заключается в вызове определенной системной функции. Даже если в программе явно не упомянута ни одна функция, необходим, по крайней мере, один вызов системной функции – завершение программы и освобождение всех принадлежащих ей ресурсов.

На третьем этапе компиляции к объектному файлу подсоединяются все функции на которые он ссылается. Функции тоже должны быть скомпилированы, т.е. переведены на машинный язык в форму объектных файлов. Этот процесс называется компоновкой , и как раз его результат и есть исполняемый файл.

Системные функции и стандартные функции языка Си++ заранее откомпилированы и хранятся в виде библиотек. Библиотека – это некий архив объектных модулей, с которым удобно компоновать программу.

Основная цель многоэтапной компиляции программ – возможность компоновать программу из многих файлов. Каждый файл представляет собой законченный фрагмент программы, который может ссылаться на функции, переменные или классы, определенные в других файлах. Компоновка объединяет фрагменты в одну "самодостаточную" программу, которая содержит все необходимое для выполнения.

Проблема использования общих функций и имен

В языке Си++ существует строгое правило, в соответствии с которым прежде чем использовать в программе имя или идентификатор, его необходимо определить. Рассмотрим для начала функции. Для того чтобы имя функции стало известно программе, его нужно либо объявить, либо определить.

Объявление функции состоит лишь из ее прототипа, т.е. имени, типа результата и списка аргументов. Объявление функции задает ее формат, но не определяет, как она выполняется. Примеры объявлений функций:

double sqrt(double x);// функция sqrt
long fact(long x);	// функция fact  
 
// функция PrintBookAnnotation
void PrintBookAnnotation(const Book& book);

Определение функции – это определение того, как функция выполняется. Оно включает в себя тело функции, программу ее выполнения.

// функция вычисления факториала
// целого положительного числа
long fact(long x)
{
     if (x == 1)
          return 1;
     else
          return x * fact(x - 1);
}

Определение функции играет роль объявления ее имени, т.е. если в начале файла определена функция fact, в последующем тексте функций и классов ею можно пользоваться. Однако если в программе функция fact используется в нескольких файлах, такое построение программы уже не подходит. В программе должно быть только одно Определение функции.

Удобно было бы поместить Определение функции в отдельный файл, а в других файлах в начале помещать лишь объявление, прототип функции.

// начало файла main.cpp
long fact(long);	// прототип функции
int main()
{
     . . .
     int x10 = fact(10);   // вызов функции  
     . . .
}
// конец файла main.cpp
// начало файла fact.cpp
// определение функции 
// вычисления факториала целого 
// положительного числа
//
long fact(long x)
{
     if (x == 1)
          return 1;
     else
          return x * fact(x - 1);
}
// конец файла fact. cpp

Компоновщик объединит оба файла в одну программу.

Аналогичная ситуация существует и для классов. Любой класс в языке Си++ состоит из двух частей: объявления и определения. В объявлении класса говорится, каков интерфейс класса, какие методы и атрибуты составляют объекты этого класса. Объявление класса состоит из ключевого слова class, за которым следует имя класса, список наследования и затем в фигурных скобках - методы и атрибуты класса. Заканчивается объявление класса точкой с запятой.

class Book : public Item
{
public:
     Book();
     ~Book();
     String Title();
     String Author();
private:
     String title;
     String author;
};

Определение класса – это определение всех его методов.

// определение метода Title
String
Book::Title()
{
     return title;
}

Определение класса должно быть только одно, и если класс используется во многих файлах, его удобно поместить в отдельный файл. В остальных файлах для того, чтобы использовать класс Book, например определить переменную класса Book, в начале файла необходимо поместить объявление класса.

Таким образом, в начале каждого файла будут сосредоточены прототипы всех используемых функций и объявления всех применяемых классов.

Программа работать будет, однако писать ее не очень удобно.

В начале каждого файла нам придется повторять довольно большие одинаковые куски текста. Помимо того, что это утомительно, очень легко допустить ошибку. Если по каким-то причинам потребуется изменить объявление класса, придется изменять все файлы, в которых он используется. Хотя возможно, что изменение никак не затрагивает интерфейс класса. Например, добавление нового внутреннего атрибута непосредственно не влияет на использование внешних методов и атрибутов этого класса.