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Compilação em detalhes

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O processo de compilação

Programas C++ são divididos entre fontes e headers. Vamos entender o papel de cada um deles?

Qual a sequência de eventos disparada sob o seguinte comando?

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O processo de compilação

O pré-processador incorpora #includes, expande macros e resolve diretivas condicionais.

Programas C++ são divididos entre fontes e headers. Vamos entender o papel de cada um deles.

Qual a sequência de eventos disparada sob o seguinte comando?

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Onde está o gargalo dessa sequência?

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O processo de compilação

O pré-processador incorpora #includes, expande macros e resolve diretivas condicionais.
O compilador realiza análise léxica, sintática e semântica, produzindo código assembly.

Programas C++ são divididos entre fontes e headers. Vamos entender o papel de cada um deles.

Qual a sequência de eventos disparada sob o seguinte comando?

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Onde está o gargalo dessa sequência?

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O processo de compilação

O pré-processador incorpora #includes, expande macros e resolve diretivas condicionais.
O compilador realiza análise léxica, sintática e semântica, produzindo código assembly.
O assembler gera um object file com código dependente de posição (relocatable).

Programas C++ são divididos entre fontes e headers. Vamos entender o papel de cada um deles.

Qual a sequência de eventos disparada sob o seguinte comando?

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Onde está o gargalo dessa sequência?

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O processo de compilação

O pré-processador incorpora #includes, expande macros e resolve diretivas condicionais.
O compilador realiza análise léxica, sintática e semântica, produzindo código assembly.
O assembler gera um object file com código dependente de posição (relocatable).
O linker atribui posições, substitui nomes e os combina tudo em um binário (e.g. um executável).

Programas C++ são divididos entre fontes e headers. Vamos entender o papel de cada um deles.

Qual a sequência de eventos disparada sob o seguinte comando?

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Onde está o gargalo dessa sequência?

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Famigerado #include

O pré-processador é uma tecnologia arcaica. Ao encontrar um #include, ele realiza uma cópia textual do arquivo indicado. Originalmente era visto como uma ferramenta de reutilização de código. Hoje se tornou um pesadelo para os compiladores.

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gcc -E -P program.cpp

?

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Famigerado #include

O pré-processador é uma tecnologia arcaica. Ao encontrar um #include, ele realiza uma cópia textual do arquivo indicado. Originalmente era visto como uma ferramenta de reutilização de código. Hoje se tornou um pesadelo para os compiladores.

Uma forward declaration teria resolvido o problema nesse caso?

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gcc -E -P program.cpp

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Consequências...

As mesmas definições, de classes ou funções, são compiladas inúmeras vezes.

Por quê o compilador não pode salvar o resultado da compilação e reutilizá-lo?

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code_generator.cpp

optimizer.cpp

register.h

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A regra da definição única

A One-Definition Rule (ODR) determina que uma única definição de determinada classe, função, template, etc. deve existir no programa. Mas, antes de tentar entendê-la em sua plenitude, damos um passo atrás para esclarecer uma confusão comum relacionada com diretivas de compilação.

O seguinte programa é composto, unicamente, pelo fonte p.cpp e pelo header a.h.

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p.cpp

a.h

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A regra da definição única

O seguinte programa é composto, unicamente, pelo fonte p.cpp e pelo header a.h.
O projeto cresce e, eventualmente, adicionamos um novo header, b.h.

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p.cpp

a.h

b.h

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A regra da definição única

O seguinte programa é composto, unicamente, pelo fonte p.cpp e pelo header a.h.
O projeto cresce e, eventualmente, adicionamos um novo header, b.h.
Tudo corria bem, até o momento em que b.h também precisa incluir a.h.

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p.cpp

a.h

b.h

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A regra da definição única

O seguinte programa é composto, unicamente, pelo fonte p.cpp e pelo header a.h.
O projeto cresce e, eventualmente, adicionamos um novo header, b.h.
Tudo corria bem, até o momento em que b.h também precisa incluir a.h.
Felizmente, nos lembramos de proteger os headers com diretivas #ifndef. Tudo volta a funcionar!

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p.cpp

a.h

b.h

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A regra da definição única

O seguinte programa é composto, unicamente, pelo fonte p.cpp e pelo header a.h.
O projeto cresce e, eventualmente, adicionamos um novo header, b.h.
Tudo corria bem, até o momento em que b.h também precisa incluir a.h.
Felizmente, nos lembramos de proteger os headers com diretivas #ifndef. Tudo volta a funcionar!
Mas a alegria dura pouco... Com o novo fonte q.cpp, o programa está novamente quebrado.

O que é __Z10violateODRv?

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p.cpp

a.h

b.h

q.cpp

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A regra da definição única

Recapitulando: A One-Definition Rule (ODR) determina que uma única definição de determinada classe, função, template, etc. deve existir no programa.

O problema que tivemos na etapa 3 é um resultado de compilação.

Conseguimos resolvê-lo através de diretivas #ifdef, as quais protegem contra o risco de múltiplas definições dentro de uma única unidade de tradução (translation unit).

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Consequências...

As mesmas definições, de classes ou funções, são compiladas inúmeras vezes.

Apesar do linker utilizar apenas uma delas!

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code_generator.cpp

optimizer.cpp

register.h

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A regra da definição única

Recapitulando: A One-Definition Rule (ODR) determina que uma única definição de determinada classe, função, template, etc. deve existir no programa.

O problema que tivemos na etapa 3 é um resultado de compilação.

Conseguimos resolvê-lo através de diretivas #ifdef, as quais protegem contra o risco de múltiplas definições dentro de uma única unidade de tradução (translation unit).

O problema que tivemos na etapa 5 é um resultado de ligação.

Ele acontece pois a ODR protege contra o risco de múltiplas definições em um programa completo.

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ODR: cuidado para não se confundir

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Vários fontes pode fazer #include de um mesmo header.

Arquivos headers podem conter definições de classes.

Logo, podem existir classes duplicadas em fontes diferentes.

Por quê não acontece um erro de ODR nesse caso?

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Os "segredos" da ODR

Enquanto que a essência da ODR é clara, os detalhes de sua especificação não são triviais. Em particular, o significado de unicidade relativo a uma entidade é o seguinte.

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São consideradas únicas classes, templates ou funções inline que:
Apareçam em translation units diferentes;
Sejam sintaticamente, token-a-token, equivalentes;
Possuam a mesma semântica.

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Os "segredos" da ODR

OK, que faça valer a regra. Mas por quê o tratamento especial para essas entidades?

Enquanto que a essência da ODR é clara, os detalhes de sua especificação não são triviais. Em particular, o significado de unicidade relativo a uma entidade é o seguinte.

Como reproduzir uma classe token-a-token, mas com outra semântica?

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São consideradas únicas classes, templates ou funções inline que:
Apareçam em translation units diferentes;
Sejam sintaticamente, token-a-token, equivalentes;
Possuam a mesma semântica.

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Os "segredos" da ODR

Enquanto que a essência da ODR é clara, os detalhes de sua especificação não são triviais. Em particular, o significado de unicidade relativo a uma entidade é o seguinte.

Classes

O compilador precisa saber o tamanho (em bytes) da classe. Só assim é possível calcular o espaço ocupado por suas instâncias em memória.

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São consideradas únicas classes, templates ou funções inline que:
Apareçam em translation units diferentes;
Sejam sintaticamente, token-a-token, equivalentes;
Possuam a mesma semântica.

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Os "segredos" da ODR

Enquanto que a essência da ODR é clara, os detalhes de sua especificação não são triviais. Em particular, o significado de unicidade relativo a uma entidade é o seguinte.

Classes

O compilador precisa saber o tamanho (em bytes) da classe. Só assim é possível calcular o espaço ocupado por suas instâncias em memória.

Templates

A definição da classe ou função deve estar disponível para que o compilador possa instanciar o tipo concreto correspondente à entidade parametrizada.

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São consideradas únicas classes, templates ou funções inline que:
Apareçam em translation units diferentes;
Sejam sintaticamente, token-a-token, equivalentes;
Possuam a mesma semântica.

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Os "segredos" da ODR

Enquanto que a essência da ODR é clara, os detalhes de sua especificação não são triviais. Em particular, o significado de unicidade relativo a uma entidade é o seguinte.

Classes

O compilador precisa saber o tamanho (em bytes) da classe. Só assim é possível calcular o espaço ocupado por suas instâncias em memória.

Templates

A definição da classe ou função deve estar disponível para que o compilador possa instanciar o tipo concreto correspondente à entidade parametrizada.

Funções inline

Para que a corpo de uma função seja embutido no código objeto, ao invés de apenas uma chamada, sua implementação deve estar acessível.

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São consideradas únicas classes, templates ou funções inline que:
Apareçam em translation units diferentes;
Sejam sintaticamente, token-a-token, equivalentes;
Possuam a mesma semântica.

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Não conte com o compilador...

A verificação de consistência da ODR não é trivial, e, tipicamente, não é realizada por completo. Se violada, pode levar a erros em tempo de execução que são de difícil diagnóstico.

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client.cpp

server.cpp

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Ligação interna e externa

Ligação interna

O nome só pode ser referenciado em sua própria unidade.

Ligação externa

O nome pode ser referenciado por todo programa (de outras unidades).

O mecanismo de #include é essencialmente uma conveniência para evitar a reescrita manual de declarações e definições nos arquivos fontes. Ao final, o linker "unifica" os nomes de todas as translation units do programa.

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Qual a diferença entre uma declaração e uma definição?

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Ligação interna e externa

Ligação interna

O nome só pode ser referenciado em sua própria unidade.

Ligação externa

O nome pode ser referenciado por todo programa (de outras unidades).

O mecanismo de #include é essencialmente uma conveniência para evitar a reescrita manual de declarações e definições nos arquivos fontes. Ao final, o linker "unifica" os nomes de todas as translation units do programa.

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Qual a diferença entre uma declaração e uma definição?

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Ligação interna e externa

O mecanismo de #include é essencialmente uma conveniência para evitar a reescrita manual de declarações e definições nos arquivos fontes. Ao final, o linker "unifica" os nomes de todas as translation units do programa.

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Qual a diferença entre uma declaração e uma definição?

Qual o linkage de static?

unit1.ii

unit2.ii

Qual o linkage padrão de const?

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

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entireworld.h

entireworld.gch

q.cpp

p.cpp

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

O problema é a invalidação do header pré-compilado:

Quanto maior o header pré-compilado, melhor. Porém, maiores também são as chances de um header por ele incluído ser modificado.

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entireworld.h

entireworld.gch

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

O problema é a invalidação do header pré-compilado:

Quanto maior o header pré-compilado, melhor. Porém, maiores também são as chances de um header por ele incluído ser modificado.
Não pode haver nenhum token de C++ antes do #include do header pré-compilado - tipicamente, ele é o primeiro item em um fonte.

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entireworld.h

entireworld.gch

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

O problema é a invalidação do header pré-compilado:

Quanto maior o header pré-compilado, melhor. Porém, maiores também são as chances de um header por ele incluído ser modificado.
Não pode haver nenhum token de C++ antes do #include do header pré-compilado - tipicamente, ele é o primeiro item em um fonte.
As macros passadas para o compilador devem ser exatamente as mesmas daquelas usadas na construção do header pré-compilado.

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entireworld.h

entireworld.gch

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

O problema é a invalidação do header pré-compilado:

Quanto maior o header pré-compilado, melhor. Porém, maiores também são as chances de um header por ele incluído ser modificado.
Não pode haver nenhum token de C++ antes do #include do header pré-compilado - tipicamente, ele é o primeiro item em um fonte.
As macros passadas para o compilador devem ser exatamente as mesmas daquelas usadas na construção do header pré-compilado.
Certas opções de compilação precisam ser especificadas para todos os fontes que dependem do header pré-compilado.
Apenas um header pré-compilado pode existir no programa.

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entireworld.h

entireworld.gch

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Headers pré-compilados ao resgate

Com intuito de amenizar o problema de desempenho da inclusão textual, vários compiladores oferecem headers pré-compilados. Na teoria, a idéia é legal, mas, na prática, não escala tão bem.

O problema é a invalidação do header pré-compilado:

Quanto maior o header pré-compilado, melhor. Porém, maiores também são as chances de um header por ele incluído ser modificado.
Não pode haver nenhum token de C++ antes do #include do header pré-compilado - tipicamente, ele é o primeiro item em um fonte.
As macros passadas para o compilador devem ser exatamente as mesmas daquelas usadas na construção do header pré-compilado.
Certas opções de compilação precisam ser especificadas para todos os fontes que dependem do header pré-compilado.
Apenas um header pré-compilado pode existir no programa.

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entireworld.h

entireworld.gch

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Impacto em ferramentas de análise

Como fazer parsing de código que depende de flag passada ao pré-processador via -D?

A complexidade resultante do modelo de inclusão textual não se reflete apenas no processo de compilação. Ela é também um fator impactante para a construção de ferramentas de análise estática.

Note, inclusive, que a não-expansão de check torna o código sintaticamente inválido!

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Por que refatoração automática de código em linguagens como Java funciona melhor do que em C++?

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Impacto em ferramentas de análise

Como fazer parsing de código que depende de flag passada ao pré-processador via -D?
Como distinguir entre uma função e uma function-like macro para oferecer refatoração?

A complexidade resultante do modelo de inclusão textual não se reflete apenas no processo de compilação. Ela é também um fator impactante para a construção de ferramentas de análise estática.

Note que renomear uma macro não é tão simples quanto renomear uma função.

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Por que refatoração automática de código em linguagens como Java funciona melhor do que em C++?

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Impacto em ferramentas de análise

Como fazer parsing de código que depende de flag passada ao pré-processador via -D?
Como distinguir entre uma função e uma function-like macro para oferecer refatoração?
Pior ainda, como renomear uma função que não existe no texto do programa?

A complexidade resultante do modelo de inclusão textual não se reflete apenas no processo de compilação. Ela é também um fator impactante para a construção de ferramentas de análise estática.

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Por que refatoração automática de código em linguagens como Java funciona melhor do que em C++?

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Impacto em ferramentas de análise

Como fazer parsing de código que depende de flag passada ao pré-processador via -D?
Como distinguir entre uma função e uma function-like macro para oferecer refatoração?
Pior ainda, como renomear uma função que não existe no texto do programa?
Qual auto-completion gerar se a definição do objeto depende de um diretiva de compilação?

A complexidade resultante do modelo de inclusão textual não se reflete apenas no processo de compilação. Ela é também um fator impactante para a construção de ferramentas de análise estática.

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Por que refatoração automática de código em linguagens como Java funciona melhor do que em C++?

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Moral da história

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Pense duas vezes antes de fazer um #include ou de criar macros.

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Moral da história

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Na dúvida, pense mais uma vez.

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Algumas referências

http://www.cppreference.com/
https://en.wikipedia.org/wiki/ODR
https://en.wikipedia.org/wiki/Linkage_(software)
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Precompiled-Headers.html
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Preprocessor-Options.html
http://www.drdobbs.com/cpp/c-compilation-speed/228701711 (C++ Compilation Speed)
The C++ Programming Language, 4th. ed.
C++ Coding Standards.

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Curso de C++ moderno

Leandro T. C. Melo, PhD

www.ltcmelo.com

LTCMELO@GMAIL.COM

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