从代码到工程——我们的软件是如何诞生的
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C/C++,学习,学习笔记,软件工程
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前言

之前我写过几篇关于C语言的相关文章（可以翻翻我的个人主页），参考的是那本经典的红皮书。

当时不仅是面向大一的同学分享了相关知识，还有不少大二的同学也来听讲，甚至大三的同学在阅读之后也表示受益匪浅。

原本计划继续讲解文件处理相关内容，但由于一直都有事情，后续的讲解被搁置了很长一段时间。

看了下大家的进度，我决定这次分享一些不一样的——让大家对软件工程有一个整体的把握，让大家知道现在是在“学些什么”。

引入

每一位学习C语言的新同学，最初接触的编程场景往往是在命令行中运行一个简单的hello_world.c程序，我也是一样。面对这个“黑框框”，我其实之前是有困惑的：如何将课堂上的小程序，变成像QQ、微信那样功能丰富的软件？ 这次我们从一个简单的C语言源代码出发，与大家分享现代软件工程的构建流程。

从一个小程序说起

计算机程序本质上就是根据输入，经过计算，得到输出。
输入、输出本质上是程序的数据（变量），计算本质上是程序的业务逻辑代码/函数。

数据结构课上一定会学的内容：

程序=数据结构+算法逻辑

我们首先来看一个简单的C语言程序：

该程序实现一个简单的成绩等级评定系统。用户输入一个学生的成绩（0~100），程序根据规则输出等级。

#include <stdio.h>

// 使用 #define 定义常量
#define MAX_SCORE 100

// 函数声明
char getGrade(int score);

int main() {
    int score;

    // 输入部分
    printf("请输入学生成绩（0-%d）: ", MAX_SCORE);
    scanf("%d", &score);

    // 检查输入是否合法
    if (score < 0 || score > MAX_SCORE) {
        printf("输入无效！成绩应在 0 到 %d 之间。\n", MAX_SCORE);
        return 1;
    }

    // 调用函数获取等级
    char grade = getGrade(score);

    // 输出结果
    printf("成绩等级为：%c\n", grade);

    return 0;
}

// 函数定义：根据分数返回等级
char getGrade(int score) {
    if (score >= 90) return 'A';
    else if (score >= 80) return 'B';
    else if (score >= 70) return 'C';
    else if (score >= 60) return 'D';
    else return 'F';
}

如何让计算机执行这段代码呢？我们需要将代码“翻译”成机器能够识别和运行的语言。这一“翻译”过程依赖于一种称为“编译器”的软件工具。在C语言中，常用的编译器是GCC，下面我们来深入了解一下：

GCC（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件）是一套完整的编译工具链。我们常用的 gcc.exe 实际上只是编译流程的前端接口，它会依次调用 cpp、cc1、as 和 ld 等工具，分别完成从源代码到预处理程序、汇编代码、目标文件，最后生成可执行文件的整个过程。构建一个源代码文件为独立的应用程序，其详细流程如下：


步骤指令执行程序作用简记输入输出
预处理gcc -Ecpp.exe处理源代码中的宏定义、条件编译指令（带“#”的语句*）Expandsource.c（你写的源代码）source.i（也是个源代码）
编译**gcc -Scc1.exe将预处理后的代码编译成汇编语言代码Source to Assemblysource.isource.s（汇编代码）
汇编gcc -cas.exe将汇编语言代码汇编成目标文件Compile and Assemblesource.ssource.o（机器码）
链接gccld.exe将目标文件和其他必要的库文件链接在一起，生成最终的可执行文件–source.osource.exe/.ELF

注：

*这里带“#”的语句包括的类型如下（也包括#include）：

  1. 文件包含 (#include)：预处理器会将指定的头文件内容插入到源代码中#include指令所在的位置。这允许你将代码分散在多个文件中，并根据需要包含其他文件的内容。
  2. 条件编译 (#if, #ifdef, #ifndef, #else, #elif, #endif)：这些指令允许根据某些条件（如宏是否定义）有条件地编译代码部分。这对于编写跨平台代码特别有用，可以根据不同的系统特性选择性地包含特定代码段。
  3. 宏定义 (#define)：除了简单的宏替换，还可以定义带参数的宏，它们可以像函数一样使用但会在编译前被替换为相应的代码片段。
  4. 取消宏定义 (#undef)：这个指令用于取消先前定义的宏，使得之后该宏不再生效。
  5. 行控制 (#line)：更改编译器内部记录的当前行号和文件名，主要用于调试或生成错误消息时提供更准确的信息。
  6. 错误生成 (#error)：当预处理器遇到#error指令时，它会停止编译并输出一条错误消息。这通常用来强制检查某些编译时条件是否满足。
  7. pragma指令 (#pragma)：这是一种特殊类型的指令，用于向编译器传递具体的编译选项或行为指示。不同编译器可能支持不同的#pragma指令，因此它不是可移植的。

**我们常说的“编译”指的是这整个从源代码到可执行文件的过程，只不过在GCC中进行了细化，此处的“编译”是指编译到目标汇编代码的过程。

可以看出，一个基本的编译流程包括：编译和链接，这也是后续大型工程构建的基础。

下面我们手把手进行操作：

首先，执行下列代码，对代码进行预处理（-o表示输出路径）：

gcc -E source.c -o source.i

无论是打开source.c还是source.i，大家都可以发现，其实这俩都是源代码。只不过source.i中新增了很多东西。注意关注两点：1.头文件消失了，变成了具体实现 2.MAX_SCORE同时也消失了，变为了具体数值。

如果我们删掉头文件试试呢？你会发现，代码突然少了许多：

接下来，我们将这个预处理文件编译为汇编语言，执行下列命令：

gcc -S source.i -o source.s

可以看到汇编代码，接下来我们分析一下这个汇编代码：

	.file	"source.c"
	.text
	.section .rdata,"dr"
	.align 8
.LC0:
	.ascii "\350\257\267\350\276\223\345\205\245\345\255\246\347\224\237\346\210\220\347\273\251\357\274\210"
	.ascii "0-%d\357\274\211: \0"
.LC1:
	.ascii "%d\0"
	.align 8
.LC2:
	.ascii "\350\276\223\345\205\245\346\227\240\346\225\210\357\274\201\346\210\220\347\273\251\345\272\224\345\234\250 0 \345\210\260 %d \344\271\213\351\227\264\343\200\202\12\0"
.LC3:
	.ascii "\346\210\220\347\273\251\347\255\211\347\272\247\344\270\272\357\274\232%c\12\0"
	.text
	.globl	main
	.def	main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
	.seh_proc	main
main:
	pushq	%rbp
	.seh_pushreg	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	.seh_setframe	%rbp, 0
	subq	$48, %rsp
	.seh_stackalloc	48
	.seh_endprologue
	call	__main
	movl	$100, %edx
	leaq	.LC0(%rip), %rax
	movq	%rax, %rcx
	call	printf
	leaq	-8(%rbp), %rax
	movq	%rax, %rdx
	leaq	.LC1(%rip), %rax
	movq	%rax, %rcx
	call	scanf
	movl	-8(%rbp), %eax
	testl	%eax, %eax
	js	.L2
	movl	-8(%rbp), %eax
	cmpl	$100, %eax
	jle	.L3
.L2:
	movl	$100, %edx
	leaq	.LC2(%rip), %rax
	movq	%rax, %rcx
	call	printf
	movl	$1, %eax
	jmp	.L5
.L3:
	movl	-8(%rbp), %eax
	movl	%eax, %ecx
	call	getGrade
	movb	%al, -1(%rbp)
	movsbl	-1(%rbp), %eax
	movl	%eax, %edx
	leaq	.LC3(%rip), %rax
	movq	%rax, %rcx
	call	printf
	movl	$0, %eax
.L5:
	addq	$48, %rsp
	popq	%rbp
	ret
	.seh_endproc
	.globl	getGrade
	.def	getGrade;	.scl	2;	.type	32;	.endef
	.seh_proc	getGrade
getGrade:
	pushq	%rbp
	.seh_pushreg	%rbp
	movq	%rsp, %rbp
	.seh_setframe	%rbp, 0
	.seh_endprologue
	movl	%ecx, 16(%rbp)
	cmpl	$89, 16(%rbp)
	jle	.L7
	movl	$65, %eax
	jmp	.L8
.L7:
	cmpl	$79, 16(%rbp)
	jle	.L9
	movl	$66, %eax
	jmp	.L8
.L9:
	cmpl	$69, 16(%rbp)
	jle	.L10
	movl	$67, %eax
	jmp	.L8
.L10:
	cmpl	$59, 16(%rbp)
	jle	.L11
	movl	$68, %eax
	jmp	.L8
.L11:
	movl	$70, %eax
.L8:
	popq	%rbp
	ret
	.seh_endproc
	.def	__main;	.scl	2;	.type	32;	.endef
	.ident	"GCC: (x86_64-posix-seh-rev0, Built by MinGW-Builds project) 14.2.0"
	.def	printf;	.scl	2;	.type	32;	.endef
	.def	scanf;	.scl	2;	.type	32;	.endef

我们继续执行下面的语句，将汇编码编译为机器码：

gcc -c source.s -o sources.o

这样我们的代码就已经编译完成了，但是我们如果想运行，还需要进行链接，执行下面的操作进行链接：

gcc source.o -o source.exe

注意，如果使用Linux，这里建议设置chmod 777（读4写2执行1，本用户、用户组、所有人（从小到大））

从一个文件到多个文件

这是一个看似简单的代码示例。然而根据我们的观察，现实中我们所使用的软件功能往往非常复杂。小到一个 QQ 或微信，大到一个完整的 Linux 操作系统，其背后的代码量往往是数以万计甚至更多。如果将如此庞大的代码全部写在一个文件中，不仅用文本编辑器打开可能都需要几分钟时间，效率低下，而且在协作开发时也极不现实——因为一个文件只能由一个人编写和修改，多人协作将难以高效合并各自的改动。

更严重的问题在于编译过程。如果每次修改都必须重新编译整个项目，那么对于一个拥有数万行代码的大型项目来说，这样的做法几乎不可行。

为了解决这些问题，聪明的工程师们提出了一种更高效的方案：将代码拆分成多个文件，每个文件由不同的开发者负责。这样不仅可以并行开发，提高效率，也无需每次都对全部代码进行重新编译，只需编译发生变更的部分即可。

那么，如何实现这种跨文件的代码调用呢？这就引出了“头文件”的概念。我们需要一种方式来告诉编译器：“我在其他文件中定义了一些函数或变量，如果你在当前文件中使用到了它们，请去正确的地方找到它们。”
头文件正是用来提供这些声明信息的工具，它帮助编译器理解代码结构，并顺利地完成整个编译过程。

模块化拆分实践

接下来，我们手把手对上面的代码进行拆解，我们先建立如下目录结构：

步骤1：创建头文件

// grade.h
#ifndef GRADE_H
#define GRADE_H

#define MAX_SCORE 100

// 函数声明
char getGrade(int score);

#endif // GRADE_H

步骤2：分离功能实现

// grade.c
#include "../inc/grade.h"

// 函数实现
char getGrade(int score) {
    if (score >= 90) return 'A';
    else if (score >= 80) return 'B';
    else if (score >= 70) return 'C';
    else if (score >= 60) return 'D';
    else return 'F';
}

步骤3：主程序调用

// main.c
#include <stdio.h>
#include "../inc/grade.h"  // 引入自定义头文件

int main() {
    int score;

    printf("请输入学生成绩（0-%d）: ", MAX_SCORE);
    scanf("%d", &score);

    if (score < 0 || score > MAX_SCORE) {
        printf("输入无效！成绩应在 0 到 %d 之间。\n", MAX_SCORE);
        return 1;
    }

    char grade = getGrade(score);

    printf("成绩等级为：%c\n", grade);

    return 0;
}

依次执行下面的内容，编译并链接：

cd src
gcc -c main.c -o main.o
gcc -c grade.c -o grade.o
gcc main.o grade.o -o main.exe

这个时候GCC的编译流程：

这里注意：ar 是一个用于创建、修改和提取归档文件的命令行工具。在 C/C++ 开发中，尤其是在使用 GCC 编译器时，ar 常被用来管理和构建静态库。

那么，程序应该从哪里开始执行呢？对于一个独立的可执行程序来说，必须存在一个包含 main 函数的源文件。该源文件会被编译为目标文件，并在最终链接阶段与其他目标文件或库链接在一起，形成完整的可执行程序，而 main 函数则作为整个应用程序的入口点。

上文说过了，编译归根到底，还是编译和链接。多个文件，本质上就是使用多次gcc，分别编译多个文件，然后打包，最后链接到一起。

自动化构建工具——Make与Makefile

现在大家应该已经看出来了，我们想搭建的是一个多文件组成的代码工程。理论上来说，只要手动敲几条 gcc 命令，把每个文件一个个编译出来，最后再打包、链接一下，就能完成整个工程的构建流程。

不过话说回来，真让你一个命令一个命令地敲，估计谁都不太乐意吧？别说乐意了，当项目文件数量一多，比如超过十个，纯靠手动输入命令来编译和链接，根本不现实，不仅麻烦，还容易出错。

那有没有更聪明的办法呢？当然有！既然我们写程序的目的之一就是让计算机来替我们做重复劳动，那把这些编译命令写成一个程序不就好了？没错，这就是“构建工具”诞生的初衷。其实你可能已经接触过类似的东西，比如 Windows 下的批处理脚本（.bat 文件）——构建工具本质上就是帮我们自动执行一系列编译任务的程序。

它的出现，大大简化了多文件工程的构建流程，让我们可以把精力更多地放在写代码上，而不是手动拼命敲命令。

Make与Makefile介绍

聊到构建工具，就不得不提一个老牌又经典的工具——Make，它几乎是 C/C++ 开发者的“启蒙级”构建助手。配合使用的还有一个关键角色：Makefile。

什么是 Make？

Make 是一个自动化构建工具，它的核心功能就是：根据文件之间的依赖关系，自动决定哪些文件需要重新编译，并执行相应的命令。简单来说，它就是一个“聪明的命令执行器”。

你只需要告诉它：哪些文件依赖哪些源文件，该用什么命令来编译，一切交给它搞定。

什么是 Makefile？

Makefile 是 Make 工具用来读取指令的“剧本”。你可以把它看成一个配置文件，里面写明了各种编译规则、依赖关系和执行命令。

下面是一个最简单的 Makefile 示例）：

# Makefile
# 默认目标，生成可执行文件 grade_program
grade_program: src/main.o src/grade.o
	gcc -o grade_program src/main.o src/grade.o

# 从 src/main.c 生成 src/main.o
src/main.o: src/main.c
	gcc -c src/main.c -o src/main.o

# 从 src/grade.c 生成 src/grade.o
src/grade.o: src/grade.c
	gcc -c src/grade.c -o src/grade.o

# 清理生成的目标文件和可执行文件
clean:
	rm -f src/*.o grade_program

.PHONY: clean

观察代码可以发现，Makefile的语法非常简单，目标(文件)：依赖(文件)，为了方便更改部分内容，我们通过定义变量的方式，替换命令中的部分内容，修改后的代码如下：

# Makefile

# 定义编译器
CC=gcc

# 设置头文件包含路径
CFLAGS=-Iinc

# 定义目标可执行文件名称
TARGET=grade_program

# 指定所有需要编译的目标文件（.o）
OBJ=src/main.o src/grade.o

# 默认规则：生成目标可执行文件
$(TARGET): $(OBJ)
	$(CC) -o $@ $^ $(CFLAGS)

# 规则：从 .c 文件生成 .o 文件
%.o: %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c -o $@ $<

# 清理编译产物
clean:
	rm -f src/*.o $(TARGET)

.PHONY: clean

这个 Makefile 的意思是：

  • 变量定义：
    • CC: 编译器命令，默认使用 GCC。
    • CFLAGS: 编译选项，这里我们通过 -Iinc 来指定头文件目录。
    • TARGET: 最终生成的可执行文件名。
    • OBJ: 所有需要编译成目标文件的源文件对应的对象文件列表。
  • 默认规则 ($(TARGET): $(OBJ)):
    • 这是主规则，用来生成最终的可执行文件。它依赖于所有的对象文件($(OBJ))。一旦这些对象文件被更新，这个规则就会被执行来链接这些对象文件生成最终的可执行文件。
  • 模式规则 (%.o: %.c):
    • 这个规则告诉 make 如何从 .c 文件生成 .o 文件。这里的 $@ 是目标的名字（即.o文件），而 $< 是第一个依赖项（即.c文件）。
  • 清理规则 (clean:):
    • 这个规则用于清理生成的对象文件和最终的可执行文件，方便重新编译整个项目。

Make的工作流程是：从上到下进行解析，对于每一条命令，生成target的时候会检测各种依赖文件是否存在，如果不存在，则搜索下方是否有target与需要的依赖文件相同，如果有，则开始编译，通过这种方式，完成递归编译。

同时，如果你做过测试可以发现，make工具会监控文件的变化，如果文件没有变化，其中一部分文件的编译是不会执行的，这样极大的提升了编译速度。

为什么要用 Make 和 Makefile？

  • 高效：只编译改动过的文件，节省大量等待时间；
  • 自动化：一次配置，终身受益，避免手动敲命令出错；
  • 可维护：工程越大，Makefile 的价值越明显，结构清晰可扩展；
  • 跨平台：在类 Unix 系统中普遍支持，配合一些技巧也能用于 Windows。

使用 Make 和 Makefile，你就能轻松管理多文件编译项目，哪怕是几百个源文件也不在话下。它是构建系统的“入门款”，也是理解更高级构建工具（比如 CMake、Ninja）的基础。

CMake：更强大的构建工具

虽然 Make 和 Makefile 很好用，但随着项目越来越复杂，你可能会遇到不少痛点：

  • 不同平台上的构建方式不一样，Makefile 写起来麻烦；
  • 想用 IDE（比如 Visual Studio、CLion）打开工程，还得手动配置；
  • Makefile 文件一多，维护起来非常混乱……

这时候，就轮到 CMake 登场了。

什么是 CMake？

CMake 是一个跨平台的构建系统生成工具，它并不直接编译代码，而是生成本地平台上的构建系统文件——比如 Makefile、Visual Studio 的工程文件、Ninja 脚本等等。你只需要写一次 CMake 配置，CMake 会帮你适配各种平台和构建工具。

一句话总结就是：
👉 CMake 生成构建系统，Make 执行构建系统。

CMake 工作流程长啥样？

简单来说，CMake 的使用流程是（Linux）：

mkdir build
cd build
cmake ..
make

解释一下：

  1. mkdir build && cd build：创建一个构建目录，干净又整洁；
  2. cmake ..：调用 CMake，读取上级目录的 CMakeLists.txt 文件，生成 Makefile 或其他构建脚本；
  3. make：执行生成的构建脚本，开始编译！

注意，如果是windows就比较复杂一点，要有到minGW（请在powershell中执行）：

mkdir build
cd build
cmake .. -G "MinGW Makefiles" # 这里如果不设置，默认生成的Visual Studio工程
mingw32-make

CMakeLists.txt 是啥？

就像 Make 依赖 Makefile，CMake 需要你提供一个配置文件，名字叫做 CMakeLists.txt。里面写明了项目名、源码路径、依赖库、编译选项等信息。

一个最小的示例长这样：

# CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

project(GradeProgram C)

include_directories(inc)

add_executable(grade_program src/main.c src/grade.c)

是不是很清爽？甚至比 Makefile 还简单些。通常，我们需要创建一个build文件夹用于存放cmake的文件，因此执行下列命令：

mkdir build
cd build
cmake .. # CMakeLists.txt在上级目录
make # cmake生成make文件，还需要执行make进行编译

CMake 的优势在哪？

  • 跨平台：支持 Windows、Linux、macOS；
  • 支持多种构建系统：不仅是 Make，还支持 Ninja、Xcode、Visual Studio 等；
  • 模块化更强：大型工程中可以轻松拆分多个子模块，便于管理；
  • IDE 友好：CMake 配置的项目可以直接在 Visual Studio、CLion 中打开并编译；
  • 支持现代 C++：支持编译选项检测、头文件检查、链接依赖处理等，智能化程度更高；

总之，如果你只是写几个 C 文件，Make 已经够用了。但一旦项目规模扩大、平台复杂、或者你想使用更现代的开发工具链，那 CMake 几乎是必备技能。

常见的构建工具

当然，目前我们的开发早已不再是单独的C语言，还存在C++、C#、Java等语言，每个语言，都有一套相似的逻辑构建自己的可执行文件，考虑到大家还没学习Java，Java、Python等设计理念和相关工程性质的内容我就放在后面补充讲解，这里对比几个构建工具，方便大家学习：

工具名称适用语言适用平台配置文件目标文件用途
make主要用于 C/C++ 等编译型语言LinuxMakefile可执行文件（如 .out 或 .exe）Linux 自带的构建工具，用于编译和链接源代码
CMakeC/C++语言跨平台CMakeLists.txtMakefile, Visual Studio, Xcode 等构建成目标工程，跨平台配置和管理项目依赖
MavenJava跨平台pom.xml*.jar, *.war, *.ear 等构建 Java 工程，依赖管理和自动化构建过程
GradleJava跨平台bulid.gradle*.jar, *.war, *.ear 等构建 Java 工程，依赖管理和自动化构建过程

C语言标准项目结构

下面是一个C语言工程的项目结构：

my_project/
├── CMakeLists.txt     # 构建配置
├── include/          # 公共头文件
│   └── audio.h
├── src/              # 源代码
│   ├── main.c
│   └── audio.c
├── tests/            # 测试代码
├── docs/             # 文档
└── third_party/      # 第三方库

如果你使用IDE，可以看到下面的工程结构（C语言常用于嵌入式工程开发，这里以我的一个STM32工程SmartAgriculture为例）：

GDB：你的程序调试好帮手

当我们把代码写好并成功编译之后，接下来往往还会遇到一个问题：程序运行不正常！
有可能是段错误（Segmentation Fault）、无限循环、输出不对……这时候，光看代码很难定位问题。怎么办？调试工具登场！

在 C/C++ 开发中，最常用的调试工具之一就是：GDB（GNU Debugger）。

GDB 是什么？

GDB 是 GNU 提供的一个功能强大的命令行调试器，可以帮助你：

  • 单步执行代码，观察每一步的运行情况；
  • 查看和修改变量的值；
  • 设置断点，跳过某些部分；
  • 分析程序崩溃的原因（比如段错误）；
  • 调用栈回溯，排查函数调用流程。

一句话总结：GDB 就像是一个程序“显微镜”，让你能清楚看到程序在运行时的真实状态。

使用 GDB 前的准备

要使用 GDB 进行调试，编译的时候必须加上 -g 选项，告诉编译器保留调试信息：

gcc -g -o main main.c

这样编译出来的 main 可执行文件才可以被 GDB 调试。

GDB 基本用法

运行 GDB：

gdb ./main

进入 GDB 后，可以使用以下常用命令：

命令作用
break <函数名> 或 b <行号>设置断点
run 或 r启动程序
next 或 n单步执行（不进入函数内部）
step 或 s单步执行（会进入函数）
continue 或 c继续运行直到下一个断点
print <变量> 或 p打印变量的值
backtrace 或 bt打印调用栈
quit 或 q退出调试

示例流程

假设我们在 main.c 中写了个有 bug 的程序：

#include <stdio.h>

int divide(int a, int b) {
    return a / b;
}

int main() {
    int x = 10;
    int y = 0;
    int z = divide(x, y);
    printf("Result: %d\n", z);
    return 0;
}

我们编译并运行：

gcc -g -o main main.c
gdb ./main

然后在 GDB 里可以这样做：

(gdb) break divide      # 在 divide 函数设置断点
(gdb) run               # 启动程序
(gdb) print a           # 查看变量 a 的值
(gdb) print b           # 查看变量 b 的值（是 0）
(gdb) backtrace         # 查看调用栈

可以很快发现，问题就是除以了 0。

其他的一些功能：

  • watch <变量>：监视变量的值，只要变了就暂停程序；
  • info locals：查看当前函数的所有局部变量；
  • set var x = 10：修改变量值，动态尝试修复错误；
  • layout src：进入文本 UI 模式（适合在终端中浏览代码）；

相比打印调试（printf 调试），GDB 更专业、更高效、更强大。虽然命令行界面看起来有点“硬核”，但只要掌握了基本命令，就能在实际开发中事半功倍。GDB 是 C/C++ 程序员的必备技能之一，也是理解程序运行机制的利器。

什么是开发框架？写程序真的不用从零开始！

当我们写程序写多了，你可能会突然思考：

“每次都从 main 函数开始写，IO、界面、业务逻辑……是不是太原始了？”

没错，重复造轮子并不高效。
这时候，我们引入一个非常重要的概念：开发框架（Development Framework）。

开发框架到底是啥？

简单来说，开发框架就是一个为开发者提供好“地基”的工程模板，它帮你提前准备好常见的结构、功能、工具，让你只需要专注于业务逻辑的开发。

就像搭积木，开发框架已经帮你垒好了底座、立柱、墙体，剩下的只是盖个屋顶，涂个颜色。它们往往还提供：

  • 封装好的库和 API（比如 UI 控件、网络通信）；
  • 统一的项目结构（比如 MVC 架构）；
  • 自动化工具（热重载、构建脚本等）；
  • 甚至还帮你做好了跨平台适配！

说的直白一点，这里，就是一般我们常见的应用的开发模式——通过框架进行构建。举个简单的例子，在Windows中，页面的渲染一般会有两个区域，显示区域和缓存区域，当显示区域A时候，区域B开始绘制，具体绘制什么，怎么绘制，各个组件大小等，都是用代码实现的。通过直接使用框架，这一类细节均由框架管理，因此我们无需处理非常复杂的逻辑。也就是工程上的“不要重复造轮子”的说法。

一些常见的开发框架如下：

分类框架名称使用语言应用类型特点与用途说明
UI（前端）开发WPFC#桌面应用（Windows）属于 .NET 平台，支持丰富控件、数据绑定与动画，适合构建现代化 Windows 界面应用
.NET FrameworkC#桌面 & Web 应用微软全家桶平台，包含 WPF、WinForms、ASP.NET 等，用于开发 Windows 软件与服务
QTC++跨平台应用一种跨平台框架，被广泛用于各种展台
后端开发TomcatJavaWeb 服务容器Java Web 项目的运行平台，支持 JSP/Servlet，配合 Spring 系列框架更常用
Spring BootJava后端服务简化配置、开箱即用，构建 REST API 快捷稳定，适合中大型企业级项目
FlutterDart跨平台 UI + 逻辑主打前端，但具备一定后端逻辑处理能力，可实现客户端 + 服务一体的轻量应用
游戏开发UnityC#2D/3D 跨平台游戏使用简单、社区丰富，适合从小游戏到商业项目，支持多平台部署（PC、移动、Web、主机）
Unreal Engine (UE)C++高端 3D 游戏AAA 游戏引擎，图形渲染能力强，支持蓝图和 C++ 混编，适合大型商业游戏开发
嵌入式开发HALCSTM32的HAL库开发工程嵌入式必备

重新认识IDE

据我所知，大家进入大学以来，肯定是懵懵懂懂地装上了十几个G的Visual Studio，但是不知道是要干什么………

在前面的学习中，你可能已经习惯了在命令行中用 gcc 编译代码、用 gdb 调试程序、用文本编辑器写代码……
但你有没有想过：有没有一种工具，可以把这些操作都集成起来，让开发体验更流畅？

答案就是：IDE（集成开发环境）。

IDE 全称是 Integrated Development Environment（集成开发环境），它是为程序员打造的“全能工具箱”，把代码编辑、编译构建、调试运行、项目管理等功能集成在一个界面中，大大提高开发效率。

以下是IDE包含的功能（前三个是核心）：

功能模块说明
代码编辑器提供语法高亮、代码补全、错误提示、自动缩进等功能
构建系统支持一键编译、链接、打包，集成如 Make、CMake、Gradle 等
调试器可视化调试界面，支持断点、单步执行、变量观察、堆栈查看等
版本控制集成集成 Git/SVN 等工具，可直接进行代码提交、拉取、查看改动
插件系统支持扩展功能，如代码格式化器、AI 助手、数据库浏览器等
项目导航清晰展示文件结构、类/函数列表，便于快速定位和跳转

下面是常见的IDE：

IDE 名称主要语言/平台特点与适用场景
Visual StudioC/C++、C#、.NET微软官方出品，功能强大，适合 Windows 平台桌面、Web 和游戏开发
Visual Studio Code多语言（轻量编辑器）虽不算传统 IDE，但通过插件能胜任前后端、Python、C++ 等多种开发任务
CLionC/C++JetBrains 出品，专为 C/C++ 打造，内建 CMake 支持，调试体验优秀
IntelliJ IDEAJava、KotlinJetBrains 旗舰产品，支持 Spring、Maven、Gradle，Java 开发首选
PyCharmPython专业 Python IDE，适合数据分析、Web 开发、机器学习项目
RiderC#/.NETJetBrains 的跨平台 .NET IDE，适合用来替代 Visual Studio
Android StudioKotlin、JavaGoogle 官方 Android 开发 IDE，基于 IntelliJ IDEA 构建
XcodeSwift、Objective-C苹果官方 IDE，开发 iOS/macOS 应用必备
Unity EditorC#游戏开发专用 IDE，集成场景编辑器、脚本工具、调试器等

无论是哪个IDE，代码的构建和调试，其本质上都是通过执行命令行来完成对应操作。

*软件测试

我们常说：“程序能跑不代表它没问题。”
软件测试的目的就是找出那些“能跑但不对”的情况，确保产品上线后不会出问题。

软件测试 是对程序进行系统性的验证与检查，确保其功能、性能、界面等符合预期要求，避免 BUG 和异常情况流入生产环境。

那么如何去测试呢？大多数说的软件测试，指的是自动化测试。

这里总结单元测试的一个口诀：构建测试环境、执行测试单元、检查返回结果是否符合预期。限于篇幅，感兴趣的同学可以自行查询资料学习。

*一个完整的软件工程（B/S架构）

模块名称职责说明常见技术/工具
🖥 前端提供用户界面，负责用户交互与页面展示HTML、CSS、JavaScript、Vue、React、Flutter
🖧 后端处理业务逻辑，接口编写，连接数据库，响应前端请求Java（SpringBoot）、Python（Django/Flask）、Node.js
🗄 数据库存储和管理数据，支持数据持久化与查询MySQL（关系型）、Redis（缓存）、MongoDB（文档型）

下集预告

原本计划介绍一个Java Web项目的构建过程，但考虑到大家目前尚未学习Java，讲解过早可能导致理解困难。

鉴于大家已经在学习模拟电子电路并开始接触单片机，下节课我们将转向探讨单片机开发的相关内容。这也是工程开发领域的一个重要组成部分。

当然，为了简化讲解，同时由于计算机知识博大精深，部分内容存在一定的错误，请大家随时为我指出，大家一起共同成长，谢谢！

小结

高等数学与大学物理等基础理论课程的学习，为电路构建提供了坚实的理论支撑。

模拟电路的发展，使我们能够理解二极管、三极管以及各类逻辑门电路的底层实现原理。

数字电路构建了基本的与门、或门、非门等逻辑电路，赋予电路逻辑运算能力，奠定了现代计算机体系的硬件基础。

冯·诺依曼计算机架构的提出，为通用计算机系统的设计与执行提供了统一的框架，极大推动了计算技术的发展。

汇编语言的诞生，使得对寄存器的操作和中断处理更加直观和高效，拉近了人类与机器的沟通距离。

从C语言到C++，再到Java和Python，编程语言不断进化，从底层向高级抽象发展，大幅提升了开发效率与表达能力。

软件工程的兴起，使编程从单一源文件走向多模块协作，面向对象、封装、继承与多态等理念引领了新一代编程范式。

现代编程语言构建的各种开发框架，进一步简化了逻辑设计流程，使软件开发更加高效、系统化。

在你学习的时候，请记住，你的软件渲染展示的每一个按钮，你的游戏渲染的每一帧画面，你与电脑的每一次流畅交互，都建立在无数的工程之上，从一个小小的单品机点灯程序，到大语言模型服务的并行推理、分布式计算架构，正是每一个工程与模块的稳定运行，才造就了现在高速发展的计算机系统。

参考文献

拓展阅读：算法竞赛与入门经典，GDB、调用栈、可执行文件结构：P65-P79（纸质）；编译器、调试器、IDE：P460-464

C/C++编译和链接原理 – 知乎

如何用C语言构建一个大型项目(c代码,gcc编译器gdb调试器及makefile常用知识的应用)_c语言项目怎么写-CSDN博客

CMake基础使用和实战详解 – 知乎

GCC与G++https://stackoverflow.com/a/172592/16953647

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