第五课.Linux开发基础

虽然已经有很多优秀的IDE可以化简开发任务，但在面对从底层到外壳的系统构建任务时，基于Linux的传统开发模式可以让过程更透明，让开发者能够彻底把控开发的每一步，所以了解GCC，make，GDB三个工具是必要的

GCC用法参考

GCC是GNU开发的编程语言套件(GNU Compiler Collection)，在默认情况下ubuntu不会提供C/C++的编译环境，ubuntu提供了build-essential包可以一次性把相关软件安装好：

sudo apt install build-essential
apt depends build-essential #查看哪些包被build-essential依赖

一个C语言程序的运行准备工作：
源程序通过GCC编译为汇编程序，汇编程序进一步编译到输出文件（Linux下为*.o，Windows下为*.obj），输出文件通过链接器连接得到可执行文件，加载到内存运行；

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当文件过多时，一个一个进行gcc编译很麻烦，所以会借助makefile构建工程，帮助开发者组织程序

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现在已经新建了一个C程序hello.c：
下一步借助工具gcc进行编译链接得到可执行文件a.out：

gcc hello.c
./a.out #执行a.out文件

GCC的常用用法

通过对常用用法的举例，实际体会文件运行的过程；
1.源程序预处理
依然是对hello.c文件进行编译，通过-E参数进行预处理，-o参数指定输出文件名：

gcc -E -o hello.cpp hello.c

借助vi打开hello.cpp发现：
hello.c中的内容在预处理文件的最后，前面都是新载入的预处理语句；
2.编译到汇编文件
将预处理后的hello.cpp编译到汇编文件hello.s：

gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp

如果要直接将C源程序编译到汇编文件dihello.s则可以：

gcc -S -o dihello.s hello.c

3.将汇编程序编译到机器码
现在将汇编程序编译到机器码：

gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o
#直接利用源程序编译到机器码
gcc -c hello.c -o hello.o

用vi打开机器码观察到：
虽然已经是机器码，但依然不能执行，因为还没有经过链接，所以机器依然不知道这个机器码文件想要发出什么指令；
4.链接生成可执行文件
通过gcc可以直接自动链接到库，生成可执行文件：

gcc -o hello hello.o
#也可以直接从源程序到可执行文件
gcc -o hello hello.c

#执行
./hello

make与Makefile

make是一个命令工具，是一个解释Makefile中指令的工具，一般来说，大多数IDE都有这个命令，比如：Linux下GNU的make，Visual C++的nmake；
make命令执行时，需要一个Makefile文件，用以告诉make命令需要如何编译和链接程序；
Makefile被称为工程文件，每个工程都有工程文件，工程文件的作用：

• 如果这个工程没有编译过，所有的C文件都将被编译并链接；
• 如果这个工程只是某几个C文件被修改，则只需编译被修改的C文件；
• 如果头文件被修改了，则只需编译引用到该头文件的C文件；

可以看出，基于make，大幅度节约了构建工程的时间；

Makefile的规则

makefile的格式为：

<target>:<prerequisites>
[tab]<commands> #任意的shell命令

makefile是shell脚本的进一步封装，专用于工程构建；
makefile如何工作
1.make会在当前目录下找名字叫"Makefile"或"makefile"的文件；
2.如果make命令运行时没有指定目标，默认会执行Makefile文件的第一个目标，第一个目标习惯写为all；
3.make会一层一层找目标的依赖关系；
4.目标的前置依赖都执行完毕后，执行该目标下的；
假设当前目录下有几个头文件.h，几个C源文件.c，一个文件makefile，一个README.md，一个LICENSE，在当前目录执行make能够自动对文件编译并链接再输出可执行文件；
目标target
一个目标构成一条规则，目标通常是文件名，指明make命令要构建的对象，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；
目标还可以是某个操作的名字，这称为"伪目标"(phony target)，比如clean，如果当前目录中，正好有一个文件叫clean，那么这个目标不会执行。因为make发现clean文件已经存在，就认为没有必要重新构建，从而不会执行clean"伪目标"，为了避免这种情况，可以明确声明clean是"伪目标"：".PHONY:clean"
前置条件prerequisites
前置条件通常是一组文件名，之间用空格分隔，前置条件决定了目标是否需要重新构建：只要有一个前置文件不存在，或者有过更新(根据时间戳判断)，"目标"就需要重新构建
命令commands
命令表示如何更新目标文件，由一行或多行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；
每行命令之前必须有一个tab键，如果想用其他键，可以用内置变量.RECIPEPREFIX声明。用.RECIPEPREFIX指定大于号>替代tab键：

.RECIPEPREFIX = >

需要注意的是，每行命令在一个单独的shell中执行，这些shell之间没有继承关系，即孤立的命令；

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这是文件的依赖关系，target这一个或多个的目标文件依赖于prerequisites中的文件，其生成规则定义在command中

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Makefile的语法

1.makefile中用#表示注释；
2.正常情况下，make会打印每条命令，然后再执行，这叫回声(echoing)，在命令前加上@，可以关闭回声；
3.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，主要有*，?等，比如*.o表示所有后缀名为o的文件；
模式匹配
make命令允许对文件名进行正则运算匹配，主要用到的匹配符号是%，假设当前目录下有f1.c和f2.c两个文件，需要将其编译为输出文件，则可简写为%.c:%.o；
基于通配符%，可以将大量同类型文件使用一条规则完成构建；
变量和赋值
1.使用等号自定义变量，调用时需写在$()中：

txt = Hello
echo $(txt)

2.调用shell变量，需要在美元符号前，再加一个美元符号(因为make命令会对美元符号转义)：

echo $$HOME

3.变量的值可能指向另一个变量，例如v1 = $(v2)；
赋值运算符

VARIABLE = value #执行时扩展
VARIABLE := value #定义时扩展
VARIABLE ?= value #变量为空时才设置值
VARIABLE += value #将值追加到变量的尾部

内置变量Implicit Variables
make命令提供了一系列的内置变量，主要是为了跨平台的兼容；
$(CC)指向当前使用的编译器，$(MAKE)指向当前使用的make工具；
自动变量Automatic Variables

$@ 指代当前目标,即make命令当前构建的目标
$< 指代第一个前置条件
$? 指代比目标更新的所有前置条件,之间用空格分隔
$^ 指代所有前置条件,之间用空格分隔
$(@D)和$(@F) 分别指向$@的目录名和文件名
$(<D)和$(<F) 分别指向$<的目录名和文件名

判断和循环
Makefile使用Bash语法完成循环和判断：

#判断
ifeq ($(CC),gcc)
	libs=$(libs_for_gcc)
else
	libs=$(normal_libs)
endif

#循环
LIST = one two three
all:
	for i in $(LIST); do
		echo $$i;
	done

函数
makefile也可以使用函数，格式为：

$(function arguments) 
#或者 
${function arguments}

Makefile实例

假设现在有一个Makefile文件：

#cleanall cleanobj cleandiff均不是文件
#如果目录下有例如cleanobj的文件,将不会构建目标cleanobj
#为了避免这一现象,可以用.PHONY声明是伪目标
.PHONY:cleanall cleanobj cleandiff

cleanall : cleanobj cleandiff
	rm program

cleanobj : 
	rm *.o

cleandiff :
	rm *.diff

前面已经提到，make指令依据Makefile的描述去执行工程构建的操作，现在目录下有文件：
如果执行：

make cleanobj

会选择出输出文件*.o，并删除；
如果执行：

make cleanall

根据回声echoing看出：
执行顺序是深度优先搜索，先执行前置条件，再执行目标；
如果只输入指令make，会默认执行第一个目标

调试

原始的调试是在源码中插入printf逐步打印变量状态，后来出现了专用的调试工具GDB，将程序装载到GDB下更方便进行调试

GDB

GDB：GNU project Debugger；在开始调试前，必须用程序中的调试信息编译要调试的程序，GDB才能调试所使用的变量，函数；首先，使用gcc -g编译得到程序，参数-g会附加符号信息用于调试：

gcc -g -o hello hello.c

在shell中，可以使用gdb命令并指定程序名参数运行gdb：

gdb hello
程序装入gdb后可以运行
run

或者在gdb中，使用file命令调试：

file hello

如果一切正常，程序将执行到结束，如果出错，gdb会中断程序，让开发者检查变量状态；
退出gdb：

quit

设置断点

可以在源码的某一行设置断点，gdb会在遇到断点时中断执行：

gdb hello #将hello.c编译后的程序hello载入gdb
break main #在main函数行设置断点
break 6 #在源码hello.c第6行设置断点
next #单步执行,子函数作为一步
step #单步执行,具体到子函数的每一语句
info break #列出当前设置的所有断点

back trace可以查看函数调用的层级：

bt