系统编程之命令行编译

一、前言

本文将简单介绍在Linux系统下的命令行编译流程。介绍gcc、gdb、make等工具的简单使用。

二、GCC

基本操作

编译选项

无选项编译链接
- 用法：gcc test.c 作用：将 test.c 预处理、编译、汇编并链接形成可执行文件。这里未指定输出文件，默认输出为 a.out。
选项 -o
- 用法：gcc test.c -o test 作用：将 test.c 预处理、编译、汇编并链接形成可执行文件 test。-o 选项用来指定输出文件的文件名。
选项 -E
- 用法：gcc -E test.c -o test.i 作用：将 test.c 预处理输出 test.i 文件。
选项 -S
- 用法：gcc -S test.i 作用：将预处理输出文件 test.i 编译成 test.s 文件。
选项 -c
- 用法：gcc -c test.s 作用：将汇编语言文件 test.s 汇编成目标代码 test.o 文件。
无选项链接
- 用法：gcc test.o -o test 作用：将目标代码文件 test.o 链接成最终可执行文件 test。
选项 -O
- 用法：gcc -O1 test.c -o test 作用：使用编译优化级别 1 编译程序。级别为 1~3，级别越大优化效果越好，但编译时间越长。

官方文档：GCC, the GNU Compiler Collection

搜索路径控制

-I dir：将 dir 增加至头文件搜索路径
-L dir：将 dir 增加至库文件搜索路径
-l library 或 -llibrary：指定编译时搜索的库名

示例

编译链接

在这样的文件结构下：

.
├── include
│   └── dog.h
├── main.c
├── v1
│   └── dog.c
└── v2
    └── dog.c

将 ./main.c 编译为 ./main.o（仅编译）
指令：gcc -I ./include -c main.c
将 ./v1/dog.c 编译为 ./v1/dog.o（仅编译）
指令：gcc -I ./include -c ./v1/dog.c -o ./v1/dog.o
将 ./v2/dog.c 编译为 ./v2/dog.o（仅编译）
指令：gcc -I ./include -c ./v2/dog.c -o ./v2/dog.o
将 ./v1/dog.o 与 ./main.o 链接为 ./dog1
指令：gcc main.o ./v1/dog.o -o dog1
将 ./v2/dog.o 与 ./main.o 链接为 ./dog2
指令：gcc main.o ./v2/dog.o -o dog2

静态和动态库

执行下面的命令：

ar cr libdog.a ./v1/dog.o
gcc -o main main.o -L. -ldog
./main

第一条生成了一个名为libdog.a的静态库。cr意为“create and replace”，指如果库不存在则创建，如果存在则用新文件替换库中的同名文件。后接要生成的静态库名称，再之后接要添加入库中的文件。第二条将第一条中生成的静态库与main.o文件链接，生成一个名为main的可执行文件。-L后跟地址表示将该地址添加到库文件的搜索路径，-L.表示将当前目录添加到搜索路径。-l指定编译时搜索的库名。

再执行以下命令：

ar cr libdog.a ./v2/dog.o
./main

两次运行main可执行文件结果相同。

因为静态链接，程序在链接完成时就已确定。第二次只是更改了静态库本身，而没有改变链接后生成的可执行文件。

执行下面的命令

gcc -c -fPIC v1/dog.c -o v1/dog.o -I include
gcc -c -fPIC v2/dog.c -o v2/dog.o -I include
gcc -shared -fPIC -o libdog.so v1/dog.o
gcc main.c libdog.so -o main -I include

再将库文件路径设置为当前路径：

LD_LIBRARY_PATH=.
export LD_LIBRARY_PATH

执行 ./main，之后再执行以下命令：

gcc -shared -fPIC -o libdog.so v2/dog.o
./main

两次运行main可执行文件结果不同。

引用动态库时，动态库的程序并不保存在可执行文件内部，而是在运行时才会动态地连接到程序中。

三、GDB

基本操作

在使用 gcc 对程序编译时，需要加上-g 参数（产生调试信息）才能使 GDB 进行调试。
输入 help 命令获得帮助
输入 quit 或者按 Ctrl+D 组合键退出 GDB。
启动程序准备调试方法
- 方法一：在执行 GDB 命令时加上要调试的可执行程序名称，如“GDB yourprogram”；
- 方法二：先输入 GDB，在 GDB 中输入 file yourprogram 加载需要调试的程序。最后使用 run 或者 r 命令开始执行，也可以使用 run parameter 方式传递参数

命令	命令缩写	命令说明
list	l	显示多行源代码
break	b	设置断点，程序运行到断点的位置会停下来
info	i	描述程序运行的状态
run	r	开始运行程序
display	disp	跟踪查看某个变量，每次停下来都显示它的值
step	s	执行下一条语句，若该语句为函数调用，则进入函数执行其第一条语句
next	n	执行下一条语句，若该语句为函数调用，不会进入函数内部执行（即不会一步一步地调试函数内部语句）
print	p	打印内部变量
continue	c	继续程序的执行直到遇到下一个断点
set var		设置变量的值
start		开始执行程序，在 main 函数第一条语句前面停下
file		装入需要调试的文件
kill	k	终止正在调试的程序
watch		监视变量值的变化
backtrace	bt	查看函数调用的信息
frame	f	查看栈帧
quit	q	退出 GDB 环境

GDB 的更多使用方法可以参阅GDB User Manual (PDF)

示例

当前文件夹下有test.c文件：

#include <stdio.h>
int main() {
    int num;
    do
    {
        printf("Enter a positive integer: ");
        scanf("%d", &num);
    } while (num < 0);

    int factorial;
    for (int i = 1; i <= num; i++)
        factorial = factorial * i;

    printf("%d! = %d\n", num, factorial);
    return 0;
}

接下来对该文件进行调试。按顺序执行如下操作：

（1）执行以下命令进入调试状态

gcc -g test.c -o test
gdb test

（2）在 main 函数处设置断点

break main

（3）输入 run 命令开始程序

Breakpoint 1, main () at test.c:2
2	int main() {

（4）多次输入 next 命令使程序运行到第 14 行,使用 print 命令打印 num 的值

print num

$1 = 2

（5）继续调试至程序第 15 行,使用 print 命令打印 factorial 的值

print factorial

$2 = -17088

（6）使用 run 命令再次调试程序

（7）在程序第 10 行加入断点

break test.c:10

（8）使用 continue 命令使程序运行到断点处

（9）使用 next 命令

（10）再次使用 print 命令打印 i 和 factorial 的值

（11）使用 p factorial=1 命令改变 factorial 的值

（12）使用 info locals 查看所有局部变量值

i = 1
num = 2
factorial = 1

（13）继续调试至程序结束

易知程序出错在没有初始化变量factorial

gdb能很好地展示程序的执行过程，方便查找出错的位置。

make

基本操作

Makefile的格式

Makefile文件由一系列规则（rules）构成。每条规则的形式如下。

<target> : <prerequisites> 
[tab]  <commands>

第一行冒号前面的部分，叫做"目标"（target）；冒号后面的部分叫做"前置条件"（prerequisites）；第二行必须由一个tab键起首，后面跟着"命令"（commands）。

目标
- 一个目标（target）就构成一条规则。目标通常是文件名，指明Make命令所要构建的对象，比如上文的 a.txt 。目标可以是一个文件名，也可以是多个文件名，之间用空格分隔。
- 除了文件名，目标还可以是某个操作的名字，称为"伪目标"（phony target）。
前置条件
- 前置条件通常是一组文件名，之间用空格分隔。它指定了"目标"是否重新构建的判断标准：只要有一个前置文件不存在，或者有过更新（前置文件的last-modification时间戳比目标的时间戳新），“目标"就需要重新构建。
命令
- 命令（commands）表示如何更新目标文件，由一行或多行的Shell命令组成。它是构建"目标"的具体指令，它的运行结果通常就是生成目标文件。

语法选述

注释
- 井号（#）在Makefile中表示注释。
模式匹配
- Make命令允许对文件名，进行类似正则运算的匹配，主要用到的匹配符是%。比如，假定当前目录下有 f1.c 和 f2.c 两个源码文件，需要将它们编译为对应的对象文件。
```
%.o: %.c
```
  等同于下面的写法。
```
f1.o: f1.c
f2.o: f2.c
```
  使用匹配符%，可以将大量同类型的文件，只用一条规则就完成构建。
通配符
- 通配符（wildcard）用来指定一组符合条件的文件名。Makefile 的通配符与 Bash 一致
依赖路径
- 大写的VPATH或小写的vpath，表示搜索文件时的路径。写法例如VPATH src:include:lib表示在./src ./include ./lib 三个路径下寻找文件。vpath %.c ./src表示以.c结尾的文件在./src路径下寻找。

示例

当前文件夹下有如下结构：

.
├── include
│   ├── dylib.h
│   ├── fun1.h
│   └── fun2.h
├── lib
│   └── libdy.so
├── Makefile
└── src
    ├── fun1.c
    ├── fun2.c
    └── main.c

将这些资源编译成一个可执行文件，在Makefile文件中写下：

vpath %.h ./include
vpath %.so ./lib
vpath %.c ./src

main: main.o fun1.o fun2.o libdy.so
    gcc $^ -o main

%.o: %.c
    gcc $^ -I include -c

.PHONY: clean
clean:
    rm *.o

在终端中输入命令make main，即生成main文件（以及中间文件）。再输入make clean将中间文件删除。

一、前言#

二、GCC#

基本操作#

编译选项#

搜索路径控制#

示例#

编译链接#

静态和动态库#

三、GDB#

基本操作#

示例#

make#

基本操作#

Makefile的格式#

语法选述#

示例#

一、前言

二、GCC

基本操作

编译选项

搜索路径控制

示例

编译链接

静态和动态库

三、GDB

基本操作

示例

make

基本操作

Makefile的格式

语法选述

示例