Linux初阶：基本开发工具

基础开发

Windows 下有例如 Visual Studio、IDEA 这样的集编写代码、编译代码、调试代码、运行代码、代码关系维护以及各种各样的复杂功能于一身的开发工具，叫做集成开发环境 IDE。Linux 下一般使用代码编辑工具 vi/vim，编译工具 gcc/g++，调试工具 gdb。

1. 编辑工具 vim

Linux 下编写代码使用 vi/vim，它是一款多模式的十分强大的文本编辑器，所有的类 unix 系统都会内置 vi 编辑器，目前使用较多的是 vim 编辑器，也就是 vi 的升级版。虽说 vim 是个文本编辑器，但它更专注于代码的编写，具有语法高亮等功能。

$ vim fileName

输入上述命令即可将使用 vim 打开文件，文件不存在则会创建文件。

1.1 vim 的基本模式

vim 基本的模式有三：命令模式（normal mode）插入模式（insert mode）底行模式（command mode），vim 刚启动时，就进入命令模式。

• 命令模式下输入i可以进入输入模式，再按Esc键就可以回退到命令模式。

• 命令模式下输入:即可进入底行模式，再按Esc键就可以回退到命令模式。

• 底行模式下输入wq可以保存退出。

知悉上述基本的模式切换方法后，再逐个介绍模式。

命令模式（normal）

vim 刚启动时，就进入命令模式。此状态下敲击键盘动作会被 Vim 识别为命令，而非输入字符。可进行的操作有：控制光标移动，字符、单词或行的删改，移动或复制粘贴文本内容，切换到插入或底行模式。

底行模式（command）

命令模式只有一些最基本的命令，因此仍要依靠底线命令模式输入更多命令。命令模式下输入:即可进入底行模式，底线命令模式可以输入多个字符的命令，可用的命令非常多。

插入模式（insert）

文本编辑模式。一般要先退回到命令模式才能进到底行模式。

vim 总共有13种模式，但这三个基本模式已经能满足我们大部分需求，其他模式会在之后的使用中学习。

1.2 vim 正常模式命令集

切换模式

1. 切换到插入模式i,a,o或底行模式Esc。
2. i选项是从光标的位置开始输入，a选项会将光标向后移动一位，o选项在光标的下方另起一行。
3. Esc退回到命令模式后向前移动一位。

光标移动

1. ⬅H、⬇J、⬆K、➡L，相当于方向键。
2. 光标锚点跳至行首^、行尾$；跳至文章起始gg、末尾G；跳至指定行n+gg/n+G。
3. 移动到下一个单词的起始w，移动到下一个单词的末尾e，反向单词距移动b，字符、字母、字母数字组合都被视为单词。
4. Ctrl+B光标向下翻页，Ctrl+F向上翻页；Ctrl+U向下移动半页，Ctrl+D向上移动半页。

删改内容

1. 删除当前字符x，多个字符n+x；反向删除字符X，多个字符n+X。
2. 删除单词dw，删除当前行dd。
3. 替换当前字符r，多个字符n+r，进入替换模式R。
4. 修改当前单词cw，修改多个单词cnw。
5. 字母大小写转换~。

移动或复制内容

1. 复制光标位置当前单词yw，多个单词n+yw。
2. 复制当前行yy，复制多行n+yy。
3. 剪切/删除当前行dd，剪切多行n+dd。
4. 粘贴到当前行下方p，粘贴多次n+p。

撤销操作u，恢复操作Ctrl+r。

1.3 vim 底行模式命令集

保存退出

• 底行模式下输入w可以保存文件，输入q可以退出程序。带上!表示强制执行。

显式行号

• 显示行号set nu，取消行号set nonu。
• 跳转至某行，输入行号n即可。

多文件操作

• 分屏操作多个文件vs fileName，切换操作文件/光标Ctrl+w+w。

查找字符

1. /Keyword，输入/再输入查找的字符，在按n可以跳转至下一个关键字所在位置。
2. ?keyword，输入/再输入查找的字符，在按n可以跳转至上一个关键字所在位置。
3. 可直接使用shift+*，查找当前光标所在的单词。

底行模式命令有很多，目前掌握这几个就行。

Vim 从入门到精通 (github.com)

最全 Vim 键位图 (runoob.com)

 

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2. 编译工具 gcc/g++

gcc/g++ 分别是 C/C++ 的编译器，基本使用方法：

$ gcc [选项] 编译文件 [选项] 目标文件 
$ g++ [选项] 编译文件 [选项] 目标文件

接下来将通过使用 gcc 分段编译程序，来熟悉 gcc/g++ 的使用。

2.1 C/C++编译基本步骤

前面已经学过 C/C++ 程序基本的编译过程，也使用过 gcc 进行查看程序的翻译步骤：

1. 预处理（进行宏替换）
2. 编译（生成汇编代码）
3. 汇编（生成机器可识别的二进制文件）
4. 链接（生成可执行文件或库文件）

预处理

• 预处理的功能主要包括宏定义，文件包含，条件编译，删除注释等。预处理指令主要指以#开头的语句。

$ gcc -E test.c -o test.i # 完成预处理后停止

• 选项-E让翻译在预处理结束后停下来，-o可以指定生成的目标文件名，预处理完的文件一般后缀为.i。

编译

• 编译时，gcc 会检查代码的规范性、是否有语法错误，已确定代码所做的工作，检查无误后 gcc 会生成汇编代码。

$ gcc -S test.i -o test.s # 完成编译后停止

• 编译阶段会生成汇编代码，以供接下来的汇编阶段使用。一般编译结束生成的代码文件的后缀为.s。

汇编

• 汇编阶段将编译所形成的汇编代码生成目标文件，也就是二进制文件。

$ gcc -c test.s -o test.o # 完成汇编后停止

虽然生成的是二进制目标文件，但仍然不可直接运行，准确的来说该文件是可重定向目标文件。相当于Windows下的.obj文件。

链接

预处理、编译、汇编三个阶段统称为编译过程，完成了上述编译的过程，就到了翻译环境的最后一个阶段：链接。链接完成之后，就生成了可执行文件。

$ gcc test.o -o test # 完成链接

链接是将所有.c源文件所生成的目标文件与语言的链接库文件放到一起进行链接。如图所示：

通常写程序时，就include了语言本身所提供的链接库文件，至于链接库文件到底是什么，接下来会讲解。

当然编译 C/C++ 程序，不需要上述这么复杂，直接执行即可：

$ gcc test.c -o test # 1.
$ gcc -o test test.c # 2.

2.2 静态链接和动态链接

函数库的概念

语言本身会提供的库，库可以看成一套头文件和一套库文件。比如通常使用的printf,scanf等等库函数，都是实现在库文件中的，可以通过引用对应的头文件，来使用这些代码。

使用lld命令可以查看可执行程序所依赖的第三方库：

Linux 下的C语言的库文件一般叫作libc.a和libc.so，分别是静态库和动态库。Windows 下的静态库和动态库的后缀分别为.lib和.dll。

将用户所写的程序文件和第三方库提供的方法关联起来，这就叫链接。很显然，链接又分为静态链接和动态链接。

由上图可以看出，gcc 默认形成的可执行程序，采用动态链接的方式，因为可执行程序依赖的是动态库。

$ gcc test.c -o test                  # 默认动态方式
$ gcc test.c -o test_static -static   # 采用静态方式

静态链接和动态链接两者最大的区别就在于链接的时机不一样，静态链接是在形成可执行程序前，而动态链接的进行则是在程序执行时，下面来详细介绍这两种链接方式。

静态链接

一般开发时，会将代码分离编写到多个.c源文件中，而这多个源文件之间不是独立的，可能某个源文件要调用另一个源文件中的函数。

这个调用就发生在目标文件的链接过程中，由链接器在链接时将库的内容拷贝到可执行程序中。然后才能生成可执行程序文件，所以说静态链接发生在形成可执行程序之前。

由上图可以看出，静态链接生成的文件比动态链接的体积大得多。

静态链接的优缺点

静态链接的缺点很明显：

1. 浪费空间，链接时会将库中的内容放入目标文件中，所以文件的体积较大。如果有多个程序文件，那么每个程序中都会加入库文件的内容，包含相同的公共代码，造成浪费。
2. 更新较为麻烦，每当库函数的代码修改了，此时就需要重新进行重新打包成lib文件，再去编译链接形成可执行程序。

静态链接的优点是，在可执行程序中已经具备了所有执行程序所需要的任何东西，不需要到其他文件中查找内容，在执行的时候运行速度快。

动态链接

动态链接出现就是为了解决静态链接中的两个问题：空间浪费和更新困难。 动态链接把程序按照模块拆分成各个相对独立部分，并把链接这个过程推迟到了运行时再进行，由操作系统的装载程序加载库，将它们链接在一起形成一个完整的程序。

假设有两个程序都包含同一个库文件，运行程序1时会将程序1加载到内存中，然后再加载该库文件，再运行程序2时，内存中已有库文件就不会再次加载，直接链接到程序2中即可。

动态链接的优缺点

动态链接的优点是：

1. 避免空间浪费，即使多个程序依赖于同一个库，但该库不会像静态链接那样在内存中存在多份副本，而是这多个程序执行时共享副本。
2. 维护比较方便，更新时只需要替换原来的目标文件，程序再次运行时，新的目标文件会自动加载到内存并链接起来。库文件与可执行文件独立，更新库文件不会对程序文件造成影响，提高了可维护性和可扩展性。

动态链接也是有缺点的，因为把链接推迟到了程序运行时，所以每次执行程序都需要进行链接，所以性能会有一定损失，运行速度相对慢一点。

深入浅出静态链接和动态链接 (csdn.net)

2.3 gcc 选项

• -E激活预处理，需手动重定向输出文件；-S编译到汇编语言；-c编译到目标代码；-o文件输出到文件。
• -static此选项对生成的文件采用静态链接。
• -g生成调试信息，GNU 调试器可利用该信息。
• -shared此选项将尽量使用动态库，所以生成文件比较小，但是需要系统由动态库。
• -O0,-O1,-O2,-O3 编译器的优化选项的4个级别，-O0表示没有优化,-O1为缺省值，-O3优化级别最高。
• -w 不生成任何警告信息，-Wall 生成所有警告信息。

 

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3. 调试工具 gdb

gdb 是 Linux 下用于调试代码的工具，这个工具成本高难度也不低且不是很方便直观但仍需掌握。

3.1 背景知识

程序的发布方式有两种模式：Debug 和 Release 模式。Linux 下 gcc/g++ 编译出的可执行程序，默认是 Release 模式。要使用 gdb 调试，必须在代码编译的时候加上调试信息。

$ gcc test.c -o test_debug -g # 加上调试信息
$ gdb test_debug              # 进入gdb调试
(gdb) quit                    # 退出gdb

3.2 gdb 选项

调试命令（debug）

名称	命令	解释
开始运行	run	相当于开始调试F5，会运行至程序结束
逐语句	step	相当于F11，有函数会进入函数内部
逐过程	next	相当于F10，不会进入函数内部，执行整条语句；

像逐过程、逐语句这样的命令一次输入之后，可直接回车仍会再次执行。

显示代码（list）

名称	命令	解释
可指定行号	list + [N]	从第 N 行开始显示10行代码，省略行号就默认从第一行开始打印，可接着上次的位置继续打印
可指定函数名	list + Name	从函数起始位置左右开始显示代码。

断点命令（breakpoint）

名称	命令	解释
可指定行号	b + N	在某行打上断点
可指定函数名	b + Name	在函数内起始位置打断点
查看断点信息	info + b	显示断点信息列表
删除断点	d + b [ + N]	删除序号为 N 的断点，省略序号就是删除所有断点
启用断点	enable + b [ + N]	启用序号为 N 的断点，省略序号就是启用所有断点
禁用断点	disable + b [ + N]	禁用序号为 N 的断点，省略序号就是禁用所有断点

变量命令（variable）

名称	命令	解释
监视变量	display + Name	以列表的形式常显示在屏幕下方，类似于vs中的监视
取消监视	undisplay + N	去掉监视列表中的序号为 N 的变量的常显示
查看变量	p + Name	打印变量的值，不会常显示
修改变量	set + Name	设置指定变量的值

特殊调试命令

名称	命令	解释
结束当前函数	finish	finish 会直接结束当前函数的调用，并停止在函数返回位置，等待接下来的命令
继续调试	continue	continue 继续运行至下一个断点，相当于F5
跳转至指定行	until + N	跳转至当前函数内部的第 N 行

上述三个命令可以快速确定到代码出错的大概范围。finish和continue结合在多个函数调用结束的位置检查结果是否正确，定位到出错函数后，可以使用until在函数内部查找出错位置。

其他命令

名称	命令	解释
调用堆栈	breaktrace/bt	查看程序各级栈帧的调用情况