Lin 基础技术教程 6

第6章常用开发工具主要内容C语言的编译过程gcc命令行选项gdb程序调试工具和应用示例make程序维护工具6.1gcc编译系统Linux平台上目前最常用的C语言编译系统是gcc（GNUCompilerCollection），它是GNU项目中符合ANSIC标准的编译系统，能够编译用C，C++和Objective-C等语言编写的程序。6.1.1文件扩展名Linux系统用后缀来区分不同类型的文件。在gcc命令行上可以使用有不同后缀的文件。常用的文件名后缀及其表示的文件类型表6-1

常用文件扩展名及其表示的文件类型文件扩展名文

件

类

型.cC语言源文件.i预处理后的C语言源文件.ii预处理后的C++语言源文件.C、.cc、.cp、.cpp、.c++、.cxxC++语言源文件.mObjective-C语言源文件.mi预处理后的Objective-C语言源文件.F、.fpp、.FPPFORTRAN语言源文件.s汇编程序文件.S必须预处理的汇编程序文件.o目标文件.a静态链接库.so动态链接库.h头文件6.1.2C语言编译过程gcc编译程序时，其编译过程可以分为4个阶段：预处理（Preprocessing）编译（Compiling）汇编（Assembling）连接（Linking）1．预处理阶段①将以#include行所指出的文件替代该指令行②对C语言源程序中的所有宏名进行宏替换③对条件编译指令将根据有关的条件，把某些代码滤掉，使之不进行编译④对于源程序中出现的_LINE_，_FILE_等预先定义好的宏名，将用合适的值进行替换；对#line，#error和#pragma分别进行相应处理。2．编译阶段对预处理之后的输出文件进行词法分析和语法分析，将其“翻译”为功能等价的中间代码表示或汇编代码3．汇编过程汇编程序（Assembler）把汇编语言代码翻译成目标机器代码的过程4．连接阶段使有关的目标文件连成一个整体，最终成为可被操作系统执行的可执行文件。连接模式分为静态连接和动态连接。6.1.3gcc命令行选项1．预处理选项表6-2

预处理阶段常用选项及其功能选

项功

能-C在预处理后的输出中保留源文件中的注释-Dname定义一个宏name，且其值为1-Dname=definition定义一个宏name，并指定其值为definition。它的作用等价于在源文件中使用宏定义指令“#definenamedefinition”，但-D选项的优先级高于宏定义指令，可以覆盖源文件中的定义-Uname取消之前对name的任何定义，无论其是内置的还是由-D选项提供的-Idir指定搜索头文件的路径dir。先在指定的路径中搜索要包含的头文件，若找不到，则在标准路径（/usr/include、/usr/lib及当前工作目录）中搜索-ofile将输出写到file指定的文件中，该选项等价于将file作为cpp的第2个非选项参数（预处理后的输出文件）-E仅对指定的源文件进行预处理，不进行编译操作，生成的结果将输到标准输出文件中2．编译选项选项格式功

能-c只生成目标文件，不进行连接。用于对源文件的分别编译-S只进行编译，不做汇编，生成汇编代码文件格式，其名与源文件相同，但扩展名为.s-ofile将输出放在文件file中。如果未使用该选项，则可执行文件放在a.out中-g指示编译程序在目标代码中加入供调试程序gdb使用的附加信息-v在标准出错输出上显示编译阶段所执行的命令，即编译驱动程序及预处理程序的版本号gcc编译程序常用选项及其作用举例：gcc编译程序选项的作用$catmeng1.c#include<stdio.h>main(){intr;printf("Enteraninteger,please!\n");scanf("%d",&r);square(r);return0;}$catmeng2.c#include<stdio.h>intsquare(intx){printf("Thesquare=%d\n",x*x);return(x*x);}$gccmeng1.cmeng1.c:7:4:warning:implicitdeclarationoffunction‘square’[-Wimplicit-function-declaration]7|square(r); |^~~~~~/usr/bin/ld:/tmp/ccSXPGJv.o:infunction`main':meng1.c:(.text+0x46):undefinedreferenceto`square'collect2:error:ldreturned1exitstatus这个错误表明，文件meng1.c中函数main调用了函数square，但在该文件中未定义square。所以，不带选项就直接编译meng1.c是不行的。$gcc-cmeng1.c$gcc-cmeng2.c$gccmeng1.omeng2.o-omeng12$./meng12Enteraninteger,please!123Thesquare=151293．优化选项表6-4

优化程序常用的选项及其功能选

项功

能-O尝试减少代码并缩短执行时间，但不执行任何需要花费大量编译时间的优化-O1-O2在-O1级别的优化基础上进行额外调整工作——除不进行循环展开、函数内联和寄存器重新命名外，几乎进行所有可选优化-O3除了完成所有-O2级别的优化，还需包括循环展开和其他一些与处理器特性相关的优化工作-O0缩短编译时间，并使调试产生预期结果。这是默认设置-Os具有-O2级别的优化效果，同时不会显著增加代码大小4．连接选项表6-5

连接程序常用的选项及其功能选

项功

能object-file-name若文件名不以专用扩展名结尾，则将其视为目标文件名或库名。连接程序可以根据文件内容区分目标文件和库文件-c、-S、-E若使用其中任意一个选项，则不运行连接程序，且目标文件名不应作为参数-llibrary连接时搜索由library命名的库。连接程序按照命令行指定的顺序搜索并处理库及目标文件。实际的库名是liblibrary，但按默认规则，开头的lib和扩展名（.a或.so）可以省略-static在支持动态连接的系统中，强制使用静态链接库，禁止连接动态库；在其他系统中此选项无效-Ldir将指定目录dir添加到连接程序搜索库文件的路径表中，即在搜索-l选项后面列举的库文件时，先到dir目录下搜索，未找到再到标准位置搜索-Bprefix用于指定查找可执行文件、库文件、包含文件和编译程序本身数据文件的路径-ofile指定连接程序最后生成的可执行文件名为file，而非默认的a.outLinux系统下库文件的命名有一个约定，所有的库名都以lib开头。因此，在-l选项所指定的文件名前自动地插入lib。约定：以.a结尾的库是静态库，以.so结尾的库是动态库静态库是目标文件的集合，生成静态库的方法分为两步：①将各函数的源文件编译成目标文件。

例如：$gcc-cf1.cf2.cf3.c-ogame.o

由此可得到各源文件的目标文件game.o。②使用ar工具将目标文件收集起来，放到一个归档文件中。

例如：$ar-rcs$HOME/lib/libgame.agame.o它创建静态库libgame.a，库的内容由列出的目标文件组成注意，对库的命名要遵循libx.a的原则，其中，x是指定的库名。如本例中，x就是game生成静态库以后，就可在编译C语言源文件时指明对它进行搜索、连接例如：$gccf1.cf2.cf3.c-omygame-static-L$HOME/lib–lgame静态连接效率不高，需占用较多的磁盘空间和内存。利用动态连接可克服上述缺点。进行动态连接的核心问题是生成动态链接库6.2gdb程序调试工具查找程序中的错误，诊断其准确位置，并予以改正，这就是程序调试。程序中的错误按性质可分为三种：①编译错误，即语法错误②运行错误，如除数为0③逻辑错误，程序能运行但结果不对gdb是GNU开发组织发布的一个功能强大的、在UNIX/Linux操作系统上使用的C/C++和汇编语言程序的调试工具gdb主要帮助用户在调试程序时完成4方面工作：①启动程序，按用户要求影响程序的运行行为。②使运行程序在指定条件处停止。③当程序停止时，用户可检查程序出现的问题④动态改变程序的执行环境6.2.1启动gdb和查看内部命令为发挥gdb的全部功能，需要在编译源程序时使用-g选项$gcc-gprog.c-oprog（针对C语言源程序）$gcc-gprogram.cpp-oprogram（针对C++源程序）启动gdb的方法有4种：①直接使用shell命令gdb：$gdb②以一个可执行程序作为gdb的参数：$gdbprgm

prgm是要调试的可执行文件名。③同时以可执行程序和core文件作为gdb的参数。$gdbprgmcore

core文件是直接运行prgm程序造成coredumped后产生的文件。④指定一个进程号PID作为gdb的第二个参数。$gdbprgm12341234是正在运行进程的编号。这样，就把gdb和该进程绑在一起一旦启动gdb，就显示gdb提示符：

（gdb）并等待用户输入相应的内部命令退出gdb：quit启动gdb

利用helpclass命令可以列出指定类class中所包含的全部命令及其功能也可以直接用helpcommand方式来查看指定的command命令帮助信息files类中的命令6.2.2显示源程序和数据1．显示和搜索源程序（1）显示源文件利用list命令可以显示源文件中指定的函数或代码行表6-6

list命令的格式及功能格

式功

能list没有参数，显示当前行周围的10行代码list-显示当前行之前的10行代码list[file:]num显示源文件file中指定行号num周围的10行代码。若省略file，则默认使用当前文件。例如，list100liststart,end显示从行号start至end之间的代码行。例如，list20,

38list[file:]function显示源文件file中指定函数function()的代码行。若省略file，则默认使用当前文件。例如，listmeng1.c:square（2）模式搜索格

式功

能forward-searchregexp从列出的最后一行开始向前搜索给定的模式regexp（即正则表达式，一个字符串的匹配模式）。例如，forward-searchi=*searchregexp同上reverse-searchregexp从列出的最后一行开始向后搜索给定的模式regexp（即正则表达式，一个字符串的匹配模式）。例如，reverse-searchi=??2．查看运行时数据

（1）print命令一般使用格式是：print[/fmt]

exp当被调试的程序停止时，可以用print命令（简写为p）或同义命令inspect来查看当前程序中运行的数据。（2）gdb支持的运算符①用&运算符取出变量在内存中的地址。如：print&i，print&array[i]

②{type}adrexp

表示一个数据类型为type、存放地址为adrexp的数据。③@它是一个与数组有关的双目运算符

如：printarray@10，printarray[3]@5

④file::var

或者function::var

表示文件file（或函数function）中变量var的值。

如：printinner::i（3）输出格式在print/fmt

exp命令中，“/”之后的fmt是表示输出格式的字母，它由表示格式的字母和表示数据长度的字母组成。表6-8

gdb输出格式类

型字

母作

用字

母作

用表示格式的字母o八进制格式f浮点数格式x十六进制格式a地址格式d十进制格式i指令格式u无符号十进制格式c字符格式t二进制格式s字符串格式表示长度的字母b1字节长度h半个字长度w1个整字长度g8字节长度（4）whatis命令显示出变量的数据类型（5）x命令可以查看内存地址中数据的值。其使用格式是：

x[/fmt]

address（6）display命令可以预先设置一些要显示的表达式。

其一般格式是：display[/fmt]

exp

要取消对先前设置的某些表达式的自动显示功能，可以使用命令：

undisplay[disnum]deletedisplay[disnum]（7）显示函数调用栈信息

表6-9

显示函数调用栈信息的命令命

令功

能backtrace[n|-n]打印当前函数调用栈的所有信息。若指定参数n（正整数），则仅打印栈顶上n层帧的信息；若参数为-n形式，则仅打印栈底n层帧的信息bt[n|-n]where[n|-n]frame[n]其中，n是栈中帧的编号，从0（表示栈顶）开始递增。若指定参数，则显示当前栈帧的信息；若指定参数n，则将帧号为n的帧设置为当前帧f[n]up[n]向上移动n层栈帧。若不指定参数，则表示向上移动一层down[n]向下移动n层栈帧。若不指定参数，则表示向下移动一层infoframe显示当前栈帧的所有信息，如函数地址、调用函数的地址、被调用函数的地址、当前函数的编程语言、函数参数地址及值、局部变量的地址等infof6.2.3修改和显示目录或路径

（1）directory命令，一般格式是：

directory[dir]

或者dir[dir]（2）cd命令，使用格式为：cddir（3）path命令，使用格式是：pathdirs（4）pwd命令：显示工作目录（5）showdirectories：显示定义的源文件搜索路径（6）showpaths：显示当前查找目标文件的搜索路径6.2.4控制程序的执行断点（breakpoint），观察点（watchpoint），捕捉点（catchpoint）它们统称为停止点1．设置和显示断点（1）设置断点：用break命令（缩写为b）设置断点，有7种方法：breaklinenum

breaklinenumifcondition

breakfunction

breakfile:linenumbreakfile:function

break*address

break（2）显示断点infobreakpoints[num]infobreak[num]2．设置和显示观察点（1）设置观察点watchexpr

rwatchexpr

awatchexpr

（2）显示观察点

infobreakpointsinfowatchpoints3．设置捕捉点命令catch的格式是：catcheventevent表示事件。event可以是以下具体内容：signal表示所有信号。signalsignum表示一个特定信号signum。throw表示被抛出的所有异常。catch表示被捕捉到的所有异常。start表示任何刚创建的进程。exit表示任何被终止的进程。load表示载入任何库。unload表示卸载任何库。另一个命令是tcatchevent

（用于设置临时捕捉点）4．维护停止点命

令功

能delete[bkptnums]bkptnums是断点号码。如果要删除多个断点，则各个号码间用空格分开。如果delete命令后面不带参数，则删除所有的断点。其简写命令为dclear清除所有已定义的停止点clearfunctionclearfile:function清除在函数function开头设置的所有停止点clearlinenumclearfile:linenum清除在指定行linenum上设置的所有停止点clear*address清除在指定地址address处设置的所有停止点disable[bkptnums]停用指定的断点，bkptnums是断点号码。如果要停用多个断点，则各个号码间用空格分开。如果命令后面不带参数，则停用所有的断点。其简写命令为disenable[bkptnums]激活被停用的断点，各个断点号码间用空格分开5．运行程序run命令的格式：run[args]args是传给被调试程序的命令行参数。args可以包含“*”、“[…]”等通配符。在命令行上可以使用输入/输出重定向符。如果run命令没有指定实参，gdb将使用最近一次执行调试程序时给它提供的实参6．程序的单步跟踪和连续执行（1）单步跟踪实行单步跟踪的命令是step和next，其格式是：

step[N]N代表每步执行的行数，可进入函数内部执行next[N]

函数调用当做一条指令对待（2）连续执行

continue，c或fg命令连续执行到下一个断点或程序结束7．函数调用

callexpr

执行函数或过程

return[expr]

从正在执行的函数中退出6.2.5其他常用命令1．执行shell命令其格式是：shellcommand-string

例如：

(gdb)shelldate2024年06月21日

星期五10:22:48CST(gdb)2．修改变量值：动态更改被调试程序的运行线路或变量的值

(gdb)printx=10(gdb)setvariablex=103．跳转执行

jumplinenumjump*addr

6.2.6应用示例

示例程序源代码（1）使用带-g选项的gcc命令对该程序进行编译，然后运行：$gcc-gdbme.c-odbme$./dbme***stacksmashingdetected***:terminated已放弃（核心已转储）（2）编译时加入“-fno-stack-protection”选项，随后以程序名dbme作为参数启动gdb。（3）在gdb环境下使用run命令运行该程序

。

（4）为了了解代码中可能出错的行，使用list命令显示第1～25行的内容（其实该程序只有22行）：

(gdb)list1,25（5）设置断点，让程序在文件dbme.c的第21行停止执行，然后运行该程序。

（6）利用print命令可以打印任何合法表达式的值。

（7）查看数组fary元素地址的情况

再查看ary数组后面12个元素的数值。

把源程序中BIGNUM的宏扩展值改为10，重新编译、运行，检查结果正确

6.3make程序维护工具

6.3.1make的工作机制GNU的make的工作过程如下：①依次读入各makefile文件；②初始化文件中的变量；③推导隐式规则，并分析所有规则；④为所有的目标文件创建依赖关系链；⑤根据依赖关系和时间数据，确定哪些目标文件要重新生成；⑥执行相应的生成命令。1．makefile文件make被调用后会依次查找名为GNUmakefile，makefile和Makefile的描述文件一个示例:prog:x.oy.oz.oassmb.ogccx.oy.oz.oassmb.o-L/home/mqc/lib-lm-oprogx.o:x.cdefs.hgcc-cx.cy.o:y.cdefs.hgcc-cy.cz.o:z.cgcc-cz.cassmb.o:assmb.sas-oassmb.oassmb.sclean:rmprog*.omakefile规则有以下通用形式：目标文件：[相依文件…]<tab>命令1[#注释]…<tab>命令n[#注释]在格式上应注意：依赖行从一行的开头开始书写各命令行单独占一行，每个命令行的第一个字符必须是制表符<tab>，而不能使用8个空格#号后的内容为注释在依赖行上，目标文件和相依文件之间要用一个或两个冒号分开2．依赖关系图使用make的一个核心问题是确定好各文件之间的依赖关系。一般来说，生成一个目标文件可能有多个不同的途径，根据这些途径能够指定不同的依赖关系。

原始依赖关系图引入中间结果的依赖关系make是依据“关系图深度优先搜索”的算法来核查目标文件及相依文件的修改时间，深度相等时，可由左到右依次进行。适当地引入中间结果，合理地构造依赖关系图，可以省去一部分编译工作量。但并非层次越多越好，要考虑目标文件的生成过程及其所起的作用。

6.3.2变量1．变量定义和引用make的变量（又称做宏定义）一般均由大写字母和数字组成。定义变量的一般格式是：

<变量名>=<字符串>

例如，下面都是合法的变量定义：

OBJECT=x.oy.oz.oLIBES=-lm引用make变量的方式与引用shell变量类似，即：把变量用圆括号括起来，并在前面加上“$”符号。例如：

$(OBJECT)$(LIBES)2．自动变量除了用户定义的变量外，make也可以使用环境变量、自动变量和预定义变量。

make中定义了一些它们的值会因环境的不同而发生改变的变量，被称为自动变量。

表6-11

make的部分自动变量变

量

名说

明$@表示规则中的目标文件集合$?所有比目标文件更新的依赖文件的集合，文件之间以空格分隔$<规则中的第一个依赖文件名$^规则中所有依赖文件的集合，文件之间以空格分隔$%仅当目标文件是静态库成员时，表示规则中的目标成员名，此时$@表示相应库文件的名称$*若目标文件的扩展名是make所识别的，则$*表示去掉扩展名的目标文件名，但该引用仅在隐含规则中生效3．预定义变量表6-12

常用的make预定义变量类

别变

量说

明归档库AR归档维护程序，默认值是arARFLAGS传给归档维护程序的参数，默认值是rv汇编命令AS汇编程序，默认值是asASFLAGS传给汇编程序的参数，没有默认值C语言编译命令CCC语言编译程序，默认值是ccCPPC语言预处理程序，默认值是cppCFLAGS传给C语言编译程序的参数，没有默认值CPPFLAGS传给C语言预处理程序的参数，没有默认值C++语言编译命令CXXC++语言编译程序，默认值是g++CXXFLAGS传给C