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C++

Forrest2024/3/18大约 10 分钟

C++

开发环境前置知识 (要崩溃了)

C++ 在 win 下的开发环境非常复杂，2024/06/24 我老老实实把这篇文章看了，对编译、工具链等概念名词进行了区分，这在配置 C++ 开发环境之前是必要的。

首先，C++ 从.cpp文件到.exe文件需要很多步骤，具体如下图所示。主要分为四个部分，预处理器、编译器、汇编、链接。

  1. Preprocessor - 预处理器：通过头文件#include和宏定义#define，指示 C++ 编译器要处理哪些头文件和宏定义。
  2. Compiler - 编译器：编译器是将预处理后的 C++ 源代码转化为汇编代码，主要是检查有没有语法错误。
  3. Assemble - 汇编：将汇编代码转化为机器代码，由编译器完成，不需要我们理解。
  4. Linker - 链接器：配置链接在生成可执行文件过程中，是非常重要的一项环节。配置的静态链接库或者动态链接库在这个环节下和可执行程序链接[1] 在一起。简单来说，编译和汇编只能将.cpp文件转换为机器语言.obj文件，但是并不知道外部库、动态链接库或者其他文件里的函数与本代码的包含关系，这时候需要链接来将机器语言文件与外部库或其他编译好的文件"链接"起来，这才能让可执行程序执行。

以上这一串下来，需要编译器和链接器互相协作，这整个流程所要用到的.exe合集就叫“工具链”。工具链是预处理器、编译器、汇编器、链接器，外加其他辅助调试工具的工具合集。

VSCode 环境搭建

工具链

不同操作平台下，如 win, linux，对 C++ 的编译工具链是不一样的。

windows - MSVC

MSVC 是一套在 Windows 下处理 C++ 文件的一套工具链，而不是特指某个编译器或链接器，包含了cl.exe，link.exe和其他诸如 debugger 的调试工具等。

  • cl.exe 该程序起到了编译和链接的两个作用，但可以在命令行通过参数选择是否一起完成链接。若只需要cl.exe完成编译操作，则 MSVC 会让link.exe来继续完成链接。

Windows SDK

何为 SDK？可以理解为系统已经写好的库组件，方便 C++ 程序的编写，类似 Python 中 pandas 库这种，为写代码提供的较为常用的库函数。

适用于 Windows 11 版本 22H2 的 Windows SDK (10.0.22621) 提供用于生成 Windows 应用程序的最新标头、库、元数据和工具。

所以需要在 Windows 上构建 C++ 应用，我们需要编译器工具链和标准 C、C++ 库文件以及 Windows 库文件。

而现在也有用户在使用 MinGW，其本质上是一套 GCC 工具链，但是 GCC 本来是用于 Linux 的，在 Windows 上并不适用，所以需要 MinGW 来使得 GCC 工具链也能在 Win 上运行，我在 Stack Overflow 上搜到了这样的一个简单解释：

On a computer with Windows installed, the library that contains most ready-made executable code is not compatible with gcc compiler ... so to use this compiler in Windows you need a different library: that's where MinGW enters. MinGW provides, among other things, the library(ies) needed for making a C implementation together with gcc.

前端工具

选择 Clangd 作为前端工具。

安装：scoop install llvm

llvm 会自动包含 clangd, clang-format, clang-tidy 等前端工具，这一套 C++环境里我们只需要 clangd 作为构建前端。

VSCode 里下载插件，可以把 llvm 的bin文件夹路径添加至环境变量，这样 VSCode 中 clangd 的Path设置只需填写clangd.exe即可。

配置：

  • path - clangd.exe
  • Format on type - True

注意 llvm 并不包括 windows sdk，Windows 用户需要利用巨硬的 visual studio installer 下载所需要的 msvc 工具链和 sdk 标准库。

进入下载链接，划到最底下选择用于visual studio的工具 - visual studio 2022 生成工具 - 下载，这个会提供一个轻量级的 installer（4.2MB），在里面选择C++桌面开发，安装以下内容

  • MSVC v143
  • Windows 10/11 sdk
  • 测试工具核心功能
  • C++ AddressSanitizer
  • vcpkg 包管理器 （absx: 不要用 visual studio 官方提供的 vcpkg）

构建系统-XMake

跟随 absx 步伐，开始使用 xmake，跟着新手教程一步步往下看，还是挺清晰的。环境搭建就成功了，接下来等有项目要用到了再一点点更新经验叭。

后续：看到 Cmake 那一坨 Cmakelist.txt，我真的绷不住了，XMake，赢！

安装：win 上 scoop install xmake一行搞定。

  • VSCode 插件设置
    • XMake
    • Clangd：前端 formatter+linter
    • Codelldb：调试工具
  • 常用命令
xmake create helloworld # 创建工程
xmake config --toolchain=clang # 切换工具链至clang
xmake clean -a  # 移除所有构建时的中间文件
xmake f -c # 移除已经缓存的用户配置，在不知道做什么的时候可以先来一发这个
xmake project -k compile_commands --lsp=clangd # 生成.vscode/compile_commands.json文件，方便代码跳转
  • Lua 文件常用命令
add_requires("fmt") -- 请求添加标准库
add_includedirs("include")  -- 添加头文件
target("hello")  -- 设定编译目标
    set_kind("binary")  -- 指定库类型
    add_files("src/*.cpp")  -- 添加文件
    add_packages("fmt")     -- 添加标准库

bug

  • 当在编程时用到中文时，不论是 printf 里面还是注释，这个时候单用 UTF-8 编码 xmake 会报错：“语法错误 or 常量中有换行符”，解决方法是需要把 xmake 提示的文件改成 UTF-8 with BOM 的编码格式，才能解除报错。

编程语言

指针

C 的精髓。语法在这里不赘述了，这里说一下会运用到指针的几个情况。这里举例子也很单薄，具体到项目里再自行体会吧。学不会指针是因为没有真正到用指针的场景，所以不理解为什么非要多扯出来一个地址

  • 函数声明内传入指针变量：int function(int *a){}
  • 函数内修改指针变量的值：int function(int *a){ *a += 1; }
  • 如果指针变量指向一数组，修改值：int function(int *a){a[0] = 1}
  • 该函数的调用方式：int a = 1; function(&a); 普通变量要用&取址
  • 传入数组方式：int a[3]={0x00, 0x01, 0x02}; function(a); 数组不用取址
  1. 需要给函数传一个数组时，需要用数组名作为函数输入参数，且函数内对数组值的改变会反馈回函数外、C 存储数组的内存地址是连续的，所以拿到了数组首地址，相当于可以读取整个数组
  1. 这个函数需要用于给一个指定数组/指定变量写入值，这时候就需要把数组首地址/指定变量的地址传进去，让函数在函数内部修改值之后，再拿到外部处理

这个在通讯接收时很常见，一般就是声明一个待使用的数组作为缓冲区，放进接收函数里让函数往数组内写值

void canReceive(uint8_t *RxBuffer, uint8_t dataLength){
  for (uint8_t i=0;i<dataLength;i++){
    RxBuffer[i] = canReceiveByte();
  }
}

int main(){
  uint8_t dataLength = 4;
  uint8_t canRxBuffer[4];
  canReceive(canRxBuffer, dataLength);
  printf(canRxBuffer);
}
  1. 这个函数需要修改多个值，就可以在函数输入参数里，输入多个参数的地址，这样这些参数就能同时被函数更改

结构体

C++结构体也很好用。

  • 结构体定义：
    typedef struct {
  uint64_t MsgID; // 消息ID
  uint8_t *Data; // 数据缓冲区
  uint16_t DataLength; // 数据长度
} CAN_Struct;
  • 结构体声明
    uint8_t array[4];
CAN_Struct RxBuffer;
RxBuffer.MsgID = REQ_ID;
RxBuffer.Data = array;
RxBuffer.DataLength = 4;
  • 结构体作为指针变量传入函数后的调用，需要用->引出内部元素
    void function(CAN_Struct *RxBuffer){
  uint8_t testData[4] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};
  RxBuffer->Data = testData;
}

我目前遇到的应用场景如下

  1. 函数需要传入非常多的参数，可以都打包成一个结构体统一传入
  1. 用于定义一种模块，比如说 CAN 模块，我可以定义一个结构体，结构体内包含报文 ID，CAN 的发送/接收缓冲区，CAN 数据长度，都打包在一个结构体内能增加代码可读性。

比如说有一个函数，要把 CAN 的这三个属性都加进去，然后又得加其他变量，那写成那么多变量就很丑，不如打包成一个结构体传。

  1. 有一种情况是，我想要传入很多个变量，但是有些变量我又可能在函数内不会用到，这个时候用结构体也很方便，结构体内不定义那些用不到的变量就可以，然而函数接口不用改变。

头文件

C++通过#include引入头文件实现多文件的功能传递。头文件里需要用#ifndef防止重复编译。比如我要创建service.h头文件，就应该按照如下定义。__SERVICE_H也可以定义成其他名格式，但是要保证每一个头文件的变量名都不一样。

#ifndef __SERVICE_H
#define __SERVICE_H
// 其他函数声明、结构体和宏定义
#endif

#ifndef和#endif之间用于写其他函数声明，和其他结构体、类名和宏定义。xmake 里可以通过add_includedirs("path/to/include")添加头文件目录。

  • C++头文件有的用" "引用，有的用< >，区别是前者是自定义静态库，后者是 C++标准库。也可以用引号包括标准库，但是这个会导致 C++寻找库文件时优先搜索自定义库，再搜标准库。
  • C++的很多关键字都需要调用标准库才能使用，如果正确了编译前端，一般编译器都会指出函数属于哪个标准库。
    • bool变量类型需要调用<stdbool.h>
    • uint8_t等变量类型需要调用<stdint.h>

可变参数

C++支持在定义函数时用...定义未知的参数，可以通过接受一个格式化字符串和一系列可变参数，然后将格式化后的结果打印到控制台，在嵌入式里用于打印串口数据。以下是代码实现

#include <cstdarg>
#include <cstring>
#include <iostream>

void u0_printf(const char *format, ...) {
  char a[20] = {};
  va_list listData;
  va_start(listData, format);
  vsprintf(a, format, listData);
  va_end(listData);
  for (int i; i < 20; i++) {
    std::cout << a[i];
  }
}
  • 其中，<cstdarg>提供了可变参数函数所需的功能，提供了va_list类型，va_start、va_end、va_arg 等宏.
    • va_list 定义的 listData 将用来依次访问传递给函数的那些可变参数
    • va_start() 需要两个参数，第一个是访问可变参数，第二个是可变参数前的第一个已命名参数；这样它才能知道可变参数是从哪里开始的
    • vsprintf() 根据格式字符串和参数列表，生成最终的字符串。把结果字符串写入到缓冲区 a 中.
    • va_end() 用于清理va_list

函数注释

在函数定义前加上注释/** */，编辑器就可以在其他地方调用函数时，显示相关注释。

注释格式：

/**
 * @brief  ：简介，简单介绍函数作用
 * @param  ：介绍函数参数
 * @return：函数返回类型说明
 * @exception NSException 可能抛出的异常.
 * @author zhangsan：  作者
 * @date 2011-07-27 22:30:00 ：时间
 * @version 1.0 ：版本
 * @property ：属性介绍
*/

  1. 链接的具体过程可以参考 这篇博客 ↩︎

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