Раздел 2 — Язык C++: сборка, структура программы, лексика

Процессор выполняет машинные команды — числа в памяти. Программа на C++ — текст. Между ними стоит компилятор: он заранее, один раз, переводит текст в машинный код и записывает результат в исполняемый файл .exe. Запускается потом только exe; исходный текст и компилятор для запуска не нужны. Такие языки называют компилируемыми, в отличие от интерпретируемых (Python), где текст программы разбирается при каждом запуске.

Слово «компиляция» в обиходе означает всю сборку, но на деле это четыре этапа, и каждый выполняет своя программа:

  hello.cpp ──► препроцессор ──► hello.ii ──► компилятор ──► hello.s
  исходный        #include,           текст          C++ →              ассемблер
  текст           #define             без #          ассемблер

  hello.s ──► ассемблер ──► hello.o ──► компоновщик ──► hello.exe
                                объектный      + код библиотек     исполняемый
                                файл           (cout и др.)        файл

Обычно все четыре этапа выполняет одна команда g++ hello.cpp -o hello.exe, а промежуточные файлы удаляются. Ключ -save-temps их сохраняет — полезно открыть hello.ii один раз и увидеть, что строка #include <iostream> превратилась в десятки тысяч строк чужого кода.

В курсе используется компилятор g++ из проекта MinGW-w64 — это GCC, собранный для Windows. Он создаёт обычные exe, которые работают без дополнительных сред, и умеет вызывать функции Windows API — они нужны с раздела 14. Установить можно двумя способами; компилятор в обоих один и тот же.

Способ 1 — MSYS2 (домашний компьютер)

1. Скачать установщик с https://www.msys2.org и установить в C:\msys64.
2. Из меню «Пуск» открыть «MSYS2 UCRT64» и обновить систему пакетов
   (если окно закроется само — открыть снова и повторить команду):
pacman -Syu
3. Установить компилятор:
pacman -S mingw-w64-ucrt-x86_64-gcc
4. Добавить в переменную Path папку C:\msys64\ucrt64\bin (ниже — как).

Способ 2 — WinLibs (компьютер без прав администратора)

1. На https://winlibs.com скачать архив последней версии: UCRT runtime, Win64,
   вариант без LLVM/Clang — это zip, установки нет.
2. Распаковать в папку, куда есть права на запись, например D:\mingw64.
3. Добавить в Path папку D:\mingw64\bin.

Path — переменная окружения со списком папок, в которых Windows ищет программы по имени. Пока папки с g++.exe в ней нет, команда g++ не найдётся. Добавить: «Пуск» → «Изменение переменных среды для вашей учётной записи» → Path → «Изменить» → «Создать» → путь к папке bin. Переменные своей учётной записи меняются без прав администратора. Если и это запрещено, путь добавляется только для одного окна командной строки:

set PATH=D:\mingw64\bin;%PATH%

Проверка — в новом окне командной строки (cmd) или PowerShell: старые окна изменений Path не видят.

> g++ --version
g++ (Rev1, Built by MSYS2 project) 15.2.0            <- номер версии может быть другим
> where g++
C:\msys64\ucrt64\bin\g++.exe

Первая программа — файл C:\cpp\hello.cpp:

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Hello, world!\n";
    return 0;
}

Сборка и запуск из папки с файлом:

> cd C:\cpp
> g++ -std=c++17 -Wall -Wextra hello.cpp -o hello.exe
> hello.exe
Hello, world!

В PowerShell программа из текущей папки запускается с указанием пути: .\hello.exe. Если g++ ничего не вывел — сборка прошла без ошибок и предупреждений. Это нормальный ответ.

Ошибка (error) — текст не соответствует языку; exe не создаётся. Предупреждение (warning) — текст правильный, exe создаётся, но в нём, скорее всего, ошибка логики. Сообщение всегда имеет вид файл:строка:столбец: вид: текст. Уберём точку с запятой после строки с cout:

hello.cpp: In function 'int main()':
hello.cpp:5:35: error: expected ';' before 'return'
    5 |     std::cout << "Hello, world!\n"
      |                                   ^
      |                                   ;
    6 |     return 0;

Компилятор указывает на место, где заметил ошибку, — конец строки 5 — и подсказывает, чего не хватает. Уберём строку #include <iostream>:

hello.cpp:4:10: error: 'cout' is not a member of 'std'
hello.cpp:1:1: note: 'std::cout' is defined in header '<iostream>';
               this is probably fixable by adding '#include <iostream>'

Опечатка в имени main — int mian() — проходит компилятор: функция с таким именем допустима. Ошибку находит компоновщик: exe для Windows должен начинаться с main, а её нет. Библиотека MinGW-w64 в этом случае ищет WinMain — точку входа оконных программ:

...ld.exe: ...: undefined reference to `WinMain'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

Предупреждение — объявленная и неиспользуемая переменная (переменные — раздел 3):

hello.cpp:5:9: warning: unused variable 'count' [-Wunused-variable]

Exe, собранный командой выше, на другом компьютере может не запуститься с сообщением «отсутствует libstdc++-6.dll». Код стандартной библиотеки C++ лежит не в exe, а в отдельных DLL в папке bin компилятора; у вас она в Path, у другого человека — нет. Ключ -static включает этот код в exe: файл становится больше, но переносится на любой компьютер с Windows. Что такое DLL и как Windows их ищет — раздел 18.

C++ описан международным стандартом ISO. Стандарт пересматривается раз в три года; компиляторы поддерживают несколько версий и выбирают её ключом -std.

Программа курса опирается на две разные библиотеки, и их важно не путать:

Курс — о системном программировании, поэтому системные механизмы изучаются через Windows API напрямую, а не через обёртки стандартной библиотеки: потоки — через CreateThread, а не std::thread. Контейнеры, шаблоны и исключения C++ в обязательную часть курса не входят.

Разберём hello.cpp построчно.

Код завершения видит тот, кто запустил программу. В cmd он хранится в переменной ERRORLEVEL: если заменить return 0; на return 3; и пересобрать —

> hello.exe
Hello, world!
> echo %ERRORLEVEL%
3

По коду завершения командные файлы и другие программы узнают, чем кончился запуск. В разделе 14 одна программа будет запускать другую и читать её код завершения функцией Windows API.

Инструкция — одно действие программы; простая инструкция заканчивается точкой с запятой. Объявление вводит новое имя: переменную, функцию. Блок — инструкции в фигурных скобках; блок может стоять везде, где допустима одна инструкция, и может быть вложенным. Инструкции выполняются строго сверху вниз, в порядке записи, — это следование из раздела 1. Изменить порядок могут только ветвления, циклы и вызовы функций (разделы 4–7).

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "1\n";
    {                               // вложенный блок
        std::cout << "2\n";
    }
    ;                               // пустая инструкция — допустима
    std::cout << "3\n";
    return 0;
}

1
2
3

Ввод и вывод в C++ — это потоки: std::cout связан с экраном консоли, std::cin — с клавиатурой. Операция << отправляет значение в поток вывода, >> забирает значение из потока ввода в переменную. Операции записываются цепочкой: std::cout << a << b; выводит a, затем b.

Если в строке есть русские буквы, консоль Windows по умолчанию покажет вместо них набор символов:

╨Я╤А╨╕╨▓╨╡╤В                <- так выводится "Привет"

Причина — разные кодовые страницы, то есть таблицы «номер байта → символ». Исходный файл сохранён в UTF-8, где буква «П» — два байта D0 9F. Консоль русской Windows по умолчанию работает в кодовой странице 866, где байт D0 — символ ╨, а 9F — буква Я. Байты те же, таблица другая. Решение курса — одна кодовая страница, 1251, для программы и для консоли:

• ключ -fexec-charset=cp1251 — компилятор перекодирует строки программы из UTF-8 в 1251;
• в начале main — функции Windows API SetConsoleOutputCP(1251) и SetConsoleCP(1251): консоль выводит и принимает ввод в той же странице.

Программа «анкета» — ввод трёх значений и вывод их в одной строке:

#include <iostream>
#include <string>
#include <windows.h>

int main()
{
    SetConsoleCP(1251);           // кодовая страница ввода
    SetConsoleOutputCP(1251);     // кодовая страница вывода

    std::string name;              // строка
    int age;                       // целое число
    double height;                 // вещественное число

    std::cout << "Как вас зовут? ";
    std::cin >> name;
    std::cout << "Сколько вам лет? ";
    std::cin >> age;
    std::cout << "Ваш рост в метрах? ";
    std::cin >> height;

    std::cout << "Имя: " << name << ", возраст: " << age
              << ", рост: " << height << " м\n";
    return 0;
}

> g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -fexec-charset=cp1251 anketa.cpp -o anketa.exe
> anketa.exe
Как вас зовут? Анна
Сколько вам лет? 17
Ваш рост в метрах? 1.68
Имя: Анна, возраст: 17, рост: 1.68 м

Переменные name, age, height — именованные места в памяти для значений; std::string, int и double — их типы. Здесь они нужны, чтобы было куда вводить; типы и переменные подробно — в разделе 3. SetConsoleCP и SetConsoleOutputCP — первые функции Windows API в курсе; как устроена консоль и её буфер — раздел 15.

Строки, начинающиеся с #, — директивы препроцессора. Они выполняются до компиляции и работают с текстом, а не с кодом: препроцессор не знает C++, он только вставляет, заменяет и вырезает строки.

#include <iostream>

#define GREETING "Hello"

int main()
{
    std::cout << GREETING << ", preprocessor\n";
#ifdef DEBUG
    std::cout << "[debug] built with -DDEBUG\n";
#endif
    return 0;
}

Макрос можно определить и из командной строки ключом -D — одна программа собирается в двух вариантах без правки текста:

> g++ -std=c++17 -Wall -Wextra define.cpp -o define.exe
> define.exe
Hello, preprocessor

> g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -DDEBUG define.cpp -o define.exe
> define.exe
Hello, preprocessor
[debug] built with -DDEBUG

Условной компиляцией отключают отладочный вывод и выбирают код под операционную систему: заголовок windows.h сам состоит из сотен таких проверок. Её же используют в своих заголовках против двойного включения — это будет в разделе 18, когда появятся DLL.

Алфавит языка C++ — латинские буквы A–Z a–z, цифры 0–9, знак подчёркивания _, пробельные символы (пробел, табуляция, перевод строки) и знаки { } [ ] ( ) < > + - * / % = ! & | ^ ~ ? : ; , . " ' # \. Русские буквы и другие символы Юникода в курсе встречаются только внутри строк и комментариев.

Компилятор читает текст не по символам, а по лексемам — минимальным единицам со смыслом, как слова в предложении. Пробелы разделяют лексемы, но сами лексемами не являются. Строка

int total = price * 3 + 10;

состоит из девяти лексем:

Идентификатор — имя, которое даёт программист: переменной, функции, типа. Правила:

• состоит из латинских букв, цифр и _; не начинается с цифры;
• регистр различается: price, Price и PRICE — три разных имени;
• не совпадает с ключевым словом;
• не начинается с _ и заглавной буквы и не содержит __ — такие имена зарезервированы за компилятором и библиотекой.

Имена в курсе пишутся по-английски и по смыслу: area, layers, can_count, а не a1 или ploshad. Переменная из раздела 1 «число банок N» в программе — can_count, а не n: через сотню строк однобуквенное имя уже ничего не говорит. Исключение — счётчики циклов i, j (раздел 5).

Ключевые слова — зарезервированные слова языка, их смысл задан стандартом. Всего их в C++17 больше семидесяти; в курсе встретятся эти:

int double char bool void const unsigned long short enum
if else switch case default break continue goto return
for while do struct class public private protected virtual
true false nullptr sizeof static new delete

Знаки операций обозначают действия: + - * / %, = += -=, == != < <=, && || !, << >>. Знак операции может состоять из двух символов: <= — одна лексема, и пробел внутри неё, < =, — ошибка. Операции подробно — в разделе 3. Разделители отделяют части программы: ; заканчивает инструкцию, , разделяет элементы списка, скобки ( ) { } [ ] группируют.

Литерал — значение, записанное в тексте программы прямо: 42, 3.14, 'A', "Привет". По записи литерала компилятор определяет его тип.

Некоторые символы в строку не напечатать: перевод строки, табуляцию, саму кавычку. Для них есть escape-последовательности — обратная косая черта и символ после неё, вместе обозначающие один символ:

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << 42 << ' ' << 052 << ' ' << 0x2A << ' ' << 0b101010 << '\n';
    std::cout << 1'000'000 << '\n';
    std::cout << 3.5 << ' ' << 1.5e3 << ' ' << 2.5e-2 << '\n';
    std::cout << "Quote: \"C++\"\n";
    std::cout << "Path: C:\\new\\table\n";
    std::cout << "Wrong: C:\new\table\n";
    return 0;
}

42 42 42 42
1000000
3.5 1500 0.025
Quote: "C++"
Path: C:\new\table
Wrong: C:
ew      able

Все четыре целых литерала первой строки — одно и то же число 42 в разных системах счисления. В последней строке \n и \t внутри пути стали переводом строки и табуляцией.

Комментарий — текст для человека; компилятор его пропускает. Видов два:

// однострочный: от // до конца строки
int layers = 2;     // можно после кода

/* многострочный:
   от /* до первого */

Многострочные комментарии не вкладываются: первое */ закрывает комментарий, а остаток становится кодом и даёт ошибку. Чтобы временно отключить кусок программы, в котором уже есть /* … */, используют #if 0 … #endif из пункта 07.

Комментарий объясняет то, чего не видно из кода: почему сделано так, откуда взялось число, какое допущение модели здесь реализовано. Пересказывать код не нужно.

// Плохо: повторяет код
paint = area * layers * rate * 1.1;   // умножаем площадь на слои, расход и 1.1

// Хорошо: объясняет число из модели
paint = area * layers * rate * 1.1;   // запас 10 % на потери (допущение модели)

Правила оформления кода в курсе — их проверяют критерии практических работ:

• одна инструкция на строке;
• содержимое каждого блока сдвинуто на 4 пробела относительно его скобок;
• открывающая фигурная скобка функции — на отдельной строке, как в примерах этой страницы;
• пробелы вокруг знаков операций и после запятых;
• имена — по смыслу, латиницей (пункт 08);
• в начале файла — комментарий: что делает программа и кто автор.

// Плохо: собирается и работает, но читать нельзя
#include<iostream>
int main(){int a;std::cin>>a;std::cout<<a*a;return 0;}

// Хорошо
// Квадрат целого числа. Автор: Иванов И., группа 21П
#include <iostream>

int main()
{
    int number;
    std::cin >> number;
    std::cout << number * number << '\n';
    return 0;
}