. 1 Python/C++

Python執行速度太慢，因為做了太多的底層封裝。提高速度可以使用多程序，但是多程序佔用系統資源太多，為了減少佔用的資源並提高效能，就該拿起低階工具，將“前蓋”開啟並對“引擎”進行調整。

這裡的低階工具就是C語言/C++。有些讀者應該是不懂C語言/C++的，所以這篇文章我就來講一下C語言/C++為什麼可以作為低階工具，為什麼它們速度非常快？

. 2 解釋型為主Python

我們都知道計算機無法直接理解高階語言的意思，都需要通過一個翻譯成機器碼的過程來實現，因為翻譯方式的不同，我們把高階語言分為兩類——編譯性語言和解釋性語言。

解釋性語言是對程式逐行作出解釋並執行（也就是執行一行解釋下一行，直到程式結束），不會生成其他任何檔案。編譯性語言在程式執行之前，先會通過編譯器對程式執行編譯的過程，把程式轉變為機器語言，也就是可執行檔案，執行時就不需要做其他操作了，直接執行即可，這也就是為什麼編譯性語言執行速度快過解釋性語言。

Python屬於解釋性語言，正常人都會這麼認為，但是大家在編寫大型程式（也就是多個Python檔案的專案）時，在同目錄下會有一個pycache的資料夾，裡面的檔案字尾名全都是pyc，如圖所示：

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Pyc檔案

看到檔案型別是Complied Python File——編譯過的Python檔案。

既然是解釋性語言，那麼pyc檔案是通過何種方式生成的？編譯過的Python檔案又是什麼情況？其實大家不難發現，因為多個Python檔案如果一直是那樣解釋執行無疑會導致執行時速度過慢，為了提高速度，Python直譯器把一些重用的模組先給編譯成了pyc檔案，到第二次執行就不需要再次解釋這些重用的模組，直接執行即可。所以Python的執行過程是先編譯後解釋。

到這裡有一個問題，如果我程式結果不對，發現結果的錯誤是因為一個模組的錯誤，修改了那個模組，但是對應的pyc檔案未修改，正常人會認為結果還是錯的，實際上修改模組就能輸出正確的結果，不需要把對應的pyc檔案刪除。至於為什麼。看一下import的原始碼，會發現在import的時候它會對pyc檔案和py檔案的最後修改日期進行檢查，如果發現py檔案的修改日期晚於pyc檔案的修改日期，就進行重新編譯。只重新編譯這一個模組，其他未修改的模組不會有影響。

. 3 編譯型C++

C語言/C++屬於典型的編譯性語言，而且它們更接近底層，可以直接操控硬體，執行速度當然也是非常快！為了讓大家更好的對“引擎”進行調整，懂得低階工具的使用過程是很有必要的！

C語言/C++執行的過程分為三步：編譯，連結，執行。編譯的過程又分為以下幾步：編譯預處理，編譯程式本身，優化程式，彙編程式。原始檔經過編譯之後會生成一個副檔名是obj的目標檔案，然後目標檔案經過連結生成副檔名是exe的可執行檔案。現在主要來講一下編譯時的幾個過程。

編譯預處理

編譯預處理是對原始碼中的偽指令（以#打頭的指令）和特殊符號進行處理。偽指令主要包括以下四個方面。

偽指令

巨集定義指令有兩種，一種是#define，一種是#undef，define是C語言裡面用來定義常量和偽函式的，常量不用解釋了，大家應該都懂，重點來解釋一下偽函式，先來看一下系統中已經有了的兩個偽函式，如圖所示：

這兩個偽函式具體是什麼意思不用解釋了吧，__max是用來求兩個數的最大值，__min是用來求兩個數的最小值。這兩個偽函式邏輯差不多，我只講一下__max，這個偽函式有兩個引數，引數型別隨意，但需要儘量有實際意義（兩個數，數與字元，兩個字元，兩個字串這些情況比較都是有實際意義的），沒有實際意義的大小比較我沒試過，大家可以自己嘗試。

條件編譯指令

條件編譯指令有#ifdef，#ifndef，#elif，#else，#endif這些指令是用來對編譯的程式碼進行篩選的，在自己編寫標頭檔案時，大家都會寫上這麼幾行程式碼（注意看前兩行和最後一行）。

這些編譯預處理程式碼用來保證讓標頭檔案在整個編譯過程中只被編譯一次，只不過現在又更簡單的方式來處理這件事了，它就是#pragma once。條件編譯指令都是那種翻譯一下就能懂的，我就不一一細講了。

標頭檔案包含指令

標頭檔案包含指令就一個#include，後面可以是雙引號檔名，也可以是尖括號檔名，因為學校裡C語言用的是VC6.0，標頭檔案包含用雙引號準沒錯，但是如果你使用了VS2017，那就不是這樣了，雙引號只能用在包含專案目錄的標頭檔案，尖括號是用來包含系統自帶的標頭檔案。建議大家直接用VS2017，VC6.0太過時了。

特殊符號

特殊符號，預編譯程式可以識別一些特殊的符號。例如在源程式中出現的LINE標識將被解釋為當前行號（十進位制數），FILE則被解釋為當前被編譯的C源程式的名稱。預編譯程式對於在源程式中出現的這些串將用合適的值進行替換。

預編譯程式所完成的基本上是對源程式的“替代”工作。經過此種替代，生成一個沒有巨集定義、沒有條件編譯指令、沒有特殊符號的輸出檔案。這個檔案的含義同沒有經過預處理的原始檔是相同的，但內容有所不同。下一步，此輸出檔案將作為編譯程式的輸出而被翻譯成為機器指令。接下來就是來編譯程式本身，生成目標檔案。

編譯階段

經過預編譯得到的輸出檔案中，將只有常量。如數字、字串、變數的定義，以及C語言的關鍵字，如main，if，else，for，while，{，}，+，-，*，，等等。預編譯程式所要作得工作就是通過詞法分析和語法分析，在確認所有的指令都符合語法規則之後，將其翻譯成等價的中間程式碼表示或彙編程式碼。

優化階段

優化處理是編譯系統中一項比較艱深的技術。它涉及到的問題不僅同編譯技術本身有關，而且同機器的硬體環境也有很大的關係。優化一部分是對中間程式碼的優化。這種優化不依賴於具體的計算機。另一種優化則主要針對目的碼的生成而進行的。上圖中，我們將優化階段放在編譯程式的後面，這是一種比較籠統的表示。

對於前一種優化，主要的工作是刪除公共表示式、迴圈優化（程式碼外提、強度削弱、變換迴圈控制條件、已知量的合併等）、複寫傳播，以及無用賦值的刪除，等等。

後一種型別的優化同機器的硬體結構密切相關，最主要的是考慮是如何充分利用機器的各個硬體暫存器存放的有關變數的值，以減少對於記憶體的訪問次數。另外，如何根據機器硬體執行指令的特點（如流水線、RISC、CISC、VLIW等）而對指令進行一些調整使目的碼比較短，執行的效率比較高，也是一個重要的研究課題。

經過優化得到的彙編程式碼必須經過彙編程式的彙編轉換成相應的機器指令，方可能被機器執行。

彙編過程

彙編過程實際上指把組合語言程式碼翻譯成目標機器指令的過程。對於被翻譯系統處理的每一個C語言源程式，都將最終經過這一處理而得到相應的目標檔案。目標檔案中所存放的也就是與源程式等效的目標的機器語言程式碼。

目標檔案由段組成。通常一個目標檔案中至少有兩個段：

• 程式碼段：該段中所包含的主要是程式的指令。該段一般是可讀和可執行的，但一般卻不可寫。
• 資料段：主要存放程式中要用到的各種全域性變數或靜態的資料。一般資料段都是可讀，可寫，可執行的。

UNIX環境下主要有三種類型的目標檔案：

• 可重定位檔案：其中包含有適合於其它目標檔案連結來建立一個可執行的或者共享的目標檔案的程式碼和資料。
• 共享的目標檔案：這種檔案存放了適合於在兩種上下文裡連結的程式碼和資料。第一種事連結程式可把它與其它可重定位檔案及共享的目標檔案一起處理來建立另一個目標檔案；第二種是動態連結程式將它與另一個可執行檔案及其它的共享目標檔案結合到一起，建立一個程序映象。
• 可執行檔案：它包含了一個可以被作業系統建立一個程序來執行之的檔案。
• 彙編程式生成的實際上是第一種型別的目標檔案。對於後兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個就是連結程式的工作了。

連結

由彙編程式生成的目標檔案並不能立即就被執行，其中可能還有許多沒有解決的問題。例如，某個原始檔中的函式可能引用了另一個原始檔中定義的某個符號（如變數或者函式呼叫等）；在程式中可能呼叫了某個庫檔案中的函式，等等。所有的這些問題，都需要經連結程式的處理方能得以解決。

連結程式的主要工作就是將有關的目標檔案彼此相連線，也即將在一個檔案中引用的符號同該符號在另外一個檔案中的定義連線起來，使得所有的這些目標檔案成為一個能夠誒作業系統裝入執行的統一整體。

根據開發人員指定的同庫函式的連結方式的不同，連結處理可分為兩種：

• 靜態連結：在這種連結方式下，函式的程式碼將從其所在地靜態連結庫中被拷貝到最終的可執行程式中。這樣該程式在被執行時這些程式碼將被裝入到該程序的虛擬地址空間中。靜態連結庫實際上是一個目標檔案的集合，其中的每個檔案含有庫中的一個或者一組相關函式的程式碼。
• 動態連結：在此種方式下，函式的程式碼被放到稱作是動態連結庫或共享物件的某個目標檔案中。連結程式此時所作的只是在最終的可執行程式中記錄下共享物件的名字以及其它少量的登記資訊。在此可執行檔案被執行時，動態連結庫的全部內容將被對映到執行時相應程序的虛地址空間。動態連結程式將根據可執行程式中記錄的資訊找到相應的函式程式碼。

對於可執行檔案中的函式呼叫，可分別採用動態連結或靜態連結的方法。使用動態連結能夠使最終的可執行檔案比較短小，並且當共享物件被多個程序使用時能節約一些記憶體，因為在記憶體中只需要儲存一份此共享物件的程式碼。但並不是使用動態連結就一定比使用靜態連結要優越。在某些情況下動態連結可能帶來一些效能上損害。

執行

經過上述步驟，生成了一個exe的可執行檔案。執行程式就是執行的那個exe可執行檔案。程式的結果要麼是控制檯，要麼是介面（取決於你的專案型別）。