Compile / Link / Runtime Debug：不要把所有「跑不起來」都叫程式錯

Learning outcomes

• 能畫 source → object → executable → process。
• 區分 preprocess/compile/link/runtime/logic failure。
• 能從 diagnostic 判斷問題層級。
• 理解 header declaration 與 source definition 的基本角色。
• 能使用 warnings、debugger/sanitizer、regression cases 建立 evidence chain。

1. Why now：Compile 成功只是 Pipeline 中的一個 Gate

main.cpp
  ↓ compile
main.o
  ↓ link
grade-analyzer
  ↓ OS launch
process
  ↓ execute
stdout/stderr/exit code

同樣一句「程式壞了」，可能發生在完全不同的 layer。

2. Mental model：每一層都要先成功，下一層才存在

source valid?
  ↓ yes
object produced?
  ↓ yes
symbols resolved?
  ↓ yes
executable produced?
  ↓ yes
process launched?
  ↓ yes
behavior correct?

這條 evidence chain 能避免在 executable 根本沒產生時去查 runtime crash。

3. Worked Example A：Compile Error

int main() {
    int score = ;
}

Compiler 無法把 source 轉成有效 object code。第一個 evidence 通常是 file/line/diagnostic。

4. Preprocessor / Include Failure

#include "grade_book.hpp"

如果 header path 不存在或 include configuration 錯，failure 可能在 preprocessing/compile 前段。不要把它誤認成 linker 問題。

5. Worked Example B：Declaration 有了，但 Definition 沒進 Link

// grade.hpp
int gradeOf(int score);

// main.cpp
#include "grade.hpp"

int main() {
    return gradeOf(90);
}

如果沒有提供對應 definition，或 implementation object file 沒加入 link inputs，可能出現 undefined reference / unresolved external symbol。

6. Build Trace：Two Translation Units

g++ -std=c++20
    -c main.cpp
    -o main.o

g++ -std=c++20
    -c grade.cpp
    -o grade.o

g++ main.o grade.o
    -o grade-analyzer

前兩步各自 compile；最後一步 linker 把 symbols 組成 executable。

7. Worked Example C：Runtime Undefined Behavior

int* ptr = nullptr;

std::cout << *ptr;

Source 可能成功 compile/link，但 process 執行到 invalid dereference 時進入 undefined behavior。這是 runtime memory layer。

8. Logic Error：所有技術層都成功，答案仍錯

int total = 7;
int count = 2;

double average =
    total / count;
// 3.0, expected 3.5

Executable 可正常退出 0，不代表 business contract 正確。Regression tests 才能抓這層。

9. Warnings：不是全部都能忽略的「建議」

g++ -std=c++20
    -Wall
    -Wextra
    -pedantic
    main.cpp
    -o grade-analyzer

Warnings 不保證一定是 bug，但它們是高價值 evidence。初學階段應盡量做到「理解每個 warning」，而不是關掉。

10. Sanitizer：把一部分 Runtime Memory Evidence 變明顯

g++ -std=c++20
    -Wall
    -Wextra
    -fsanitize=address,undefined
    -g
    main.cpp
    -o grade-analyzer

AddressSanitizer/UBSan 能幫你把某些 memory/undefined behavior 問題轉成更具體 diagnostics，但不是形式證明，也不會抓到所有 bug。

11. Debugger / Stack Trace：看 Process 正在哪裡失敗

main()
  ↓
run()
  ↓
average()
  ↓
invalid access

Runtime crash 時要看 call stack、local variables、faulting instruction/function，而不是只看最後輸出。

12. Common mistakes

A. Undefined reference 時去改 pointer

這通常是 link/symbol 問題。

B. Compile error 時一直重跑 executable

新的 executable 根本沒產生。

C. Warning 全部忽略

可能放掉 narrowing、unused、lifetime 等重要訊號。

D. Crash 就認為「一定是 null pointer」

out-of-bounds、use-after-free、stack overflow 等也可能。

E. Exit 0 就認為功能正確

logic error 完全可能 exit 0。

13. Debug evidence：固定六步 Failure Classification

1. Did compile succeed?
2. Did link succeed?
3. Was executable updated?
4. Did process launch?
5. Did process terminate abnormally?
6. Is output/behavior correct?

每一步都要用 observable evidence 回答，而不是憑印象。

14. Guided exercise：製造四種 Failure

在最小 Grade Analyzer 裡刻意製造：

compile error
link error
runtime invalid access
logic boundary error

對每種記錄：symptom、第一個 evidence、失敗 layer、修復方式。

15. Independent exercise：Split Files

把：

isPassed()
gradeOf()

移到 grade.hpp / grade.cpp，main.cpp 只呼叫。先正確 build，再故意漏掉 grade.o link input，觀察 link diagnostic。

16. Challenge：Stale Executable

修改 source 後故意讓 compile 失敗，再執行舊 executable。說明為什麼你可能看到「程式還能跑」，但其實跑的是 stale binary；建立避免誤判的方法。

Project checkpoint：CLI Grade Analyzer · Build Evidence v4

src/
├─ main.cpp
├─ grade.hpp
└─ grade.cpp

build evidence:
compile warnings clean
link success
executable timestamp/commit known
boundary regressions pass

完成這一課後，C++ 前半段不再只是會寫 syntax，而是能說明 code 如何真正成為 process。

17. Vocabulary / Summary

• translation unit：經 preprocessing 後交給 compiler 的單位。
• object file：尚未完成最終 symbol resolution 的編譯輸出。
• linker：解析跨單位 symbols 並產生 executable。
• runtime failure：process 執行期間才發生的 failure。
• undefined behavior：標準不要求固定結果的行為。
• sanitizer：協助偵測特定 runtime errors 的 instrumentation。

18. Further reading

• cppreference — Translation phases
• GCC — Warning options
• Clang — AddressSanitizer