Linux下的C编程实战（一）----开发平台搭建

 1.引言

       Linux操作系统在服务器领域的应用和普及已经有较长的历史，这源于它的开源特点以及其超越Windows的安全性和稳定性。而近年来，Linux操作系统在嵌入式系统领域的延伸也可谓是如日中天，许多版本的嵌入式Linux系统被开发出来，如ucLinux、RTLinux、ARM-Linux等等。

在嵌入式操作系统方面，Linux的地位是不容怀疑的，它开源、它包含TCP/IP协议栈、它易集成GUI。

鉴于Linux操作系统在服务器和嵌入式系统领域愈来愈广泛的应用，社会上越来越需要基于Linux操作系统进行编程的开发人员。

笔者建议在PC内存足够大的情况下，不要直接安装Linux操作系统，最好把它安装在运行VMWare虚拟机软件的Windows平台上。

 在Linux平台下，可用任意一个文本编辑工具编辑源代码，但笔者建议使用emacs软件，它具备语法高亮、版本控制等附带功能。 

2.GCC编译器

GCC是Linux平台下最重要的开发工具，它是GNU的C和C++编译器，其基本用法为：

gcc [options] [filenames]

options为编译选项，GCC总共提供的编译选项超过100个，但只有少数几个会被频繁使用，我们仅对几个常用选项进行介绍。

假设我们编译一输出“Hello World”的程序：

/* Filename:helloworld.c */

main()
{
   printf("Hello World"n");
}

 最简单的编译方法是不指定任何编译选项：

gcc helloworld.c

它会为目标程序生成默认的文件名a.out，我们可用-o编译选项来为将产生的可执行文件指定一个文件名来代替a.out。例如，将上述名为

helloworld.c的C程序编译为名叫helloworld的可执行文件，需要输入如下命令：

gcc –o helloworld helloworld.c

-c选项告诉GCC仅把源代码编译为目标代码而跳过汇编和连接的步骤；

-S 编译选项告诉GCC 在为 C代码产生了汇编语言文件后停止编译。GCC 产生的汇编语言文件的缺省扩展名是.s，上述程序运行如下命令：

gcc –S helloworld.c

将生成helloworld.c的汇编代码，使用的是AT&T汇编。

-E选项指示编译器仅对输入文件进行预处理。当这个选项被使用时，预处理器的输出被送到标准输出（默认为屏幕）而不是储存在文件里。

-O选项告诉GCC对源代码进行基本优化从而使得程序执行地更快；而-O2选项告诉GCC产生尽可能小和尽可能快的代码。使用-O2选项编译的速度

比使用-O时慢，但产生的代码执行速度会更快。

-g选项告诉GCC产生能被GNU调试器使用的调试信息以便调试你的程序，可喜的是，在GCC里，我们能联用-g和-O (产生优化代码)。

-pg选项告诉GCC在你的程序里加入额外的代码，执行时，产生gprof用的剖析信息以显示你的程序的耗时情况。

3.GDB调试器

       GCC用于编译程序，而Linux的另一个GNU工具gdb则用于调试程序。gdb是一个用来调试C和C++程序的强力调试器，我们能通过它进行一系列调试工作，包括设置断点、观查变量、单步等。

其最常用的命令如下：

file：装入想要调试的可执行文件。

kill：终止正在调试的程序。

list：列表显示源代码。

next：执行一行源代码但不进入函数内部。

step：执行一行源代码而且进入函数内部。

run：执行当前被调试的程序

quit：终止gdb

watch：监视一个变量的值

break：在代码里设置断点，程序执行到这里时挂起

make：不退出gdb而重新产生可执行文件

shell：不离开gdb而执行shell

下面我们来演示怎样用GDB来调试一个求0+1+2+3+…+99的程序：

/* Filename:sum.c */
main()
{
 int i, sum;
 sum = 0;
 for (i = 0; i < 100; i++)
 {
    sum +  = i;
 }
 printf("the sum of 1+2+...+ is %d", sum);
}
 

步骤：

1. 执行如下命令编译sum.c（加-g选项产生debug信息）：

gcc –g –o sum sum.c

2. 在命令行上键入gdb sum并按回车键就可以开始调试sum了，再运行run命令执行sum。

下面为gdb命令下的各种后续命令（个人命名，不具通用性）。

list命令：

list命令用于列出源代码。

break命令：

break命令用来设置断点：

方法一：根据列出的源程序，如果我们将断点设置在第5行，只需在gdb 命令行提示符下键入如下命令设置断点：(gdb) break 5；

这个时候我们再run，程序会停止在第5行。 

方法二：设置断点的另一种语法是 break <function>，它在进入指定函数（function）时停住。

clear命令：

clear命令用于清除所有的已定义的断点，clear <function>清除设置在函数上的断点，  clear <linenum>则清除设置在指定行上的断点。

watch命令：

watch命令用于观查变量或表达式的值，我们观查sum变量只需要运行watch sum：

watch <expr>为表达式（变量）expr设置一个观察点，一量表达式值有变化时，程序会停止执行。

要观查当前设置的watch，可以使用info watchpoints命令。

next、step命令：

next、step用于单步执行，在执行的过程中，被watch变量的变化情况将实时呈现(分别显示Old value和New value)。

next、step命令的区别：

在于step遇到函数调用，会跳转到到该函数定义的开始行去执行；

而next则不进入到函数内部，它把函数调用语句当作一条普通语句执行。

Make命令：

make是所有想在Linux系统上编程的用户必须掌握的工具，对于任何稍具规模的程序，我们都会使用到make，几乎可以说不使用make的程序不具备任何实用价值。

在此，我们有必要解释编译和连接的区别：

编译器使用源码文件来产生某种形式的目标文件(object files)，在编译过程中，外部的符号参考并没有被解释或替换（即外部全局变量和函数并没有被找到）。因此，在编译阶段所报的错误一般都是语法错误。

而连接器则用于连接目标文件和程序包，生成一个可执行程序。在连接阶段，一个目标文件中对别的文件中的符号的参考被解释，如果有符号不能找到，会报告连接错误。

编译和连接的一般步骤是：第一阶段把源文件一个一个的编译成目标文件，第二阶段把所有的目标文件加上需要的程序包连接成一个可执行文件。这样的过程很痛苦，我们需要使用大量的gcc命令。

而make则使我们从大量源文件的编译和连接工作中解放出来，综合为一步完成。

GNU Make的主要工作是读进一个文本文件，称为makefile。这个文件记录了哪些文件（目的文件，目的文件不一定是最后的可执行程序，它可以是任何一种文件）由哪些文件（依靠文件）产生，用什么命令来产生。Make依靠此makefile中的信息检查磁盘上的文件，如果目的文件的创建或修改时间比它的一个依靠文件旧的话，make就执行相应的命令，以便更新目的文件。

假设我们写下如下的三个文件，add.h用于声明add函数，add.c提供两个整数相加的函数体，而main.c中调用add函数：

/* filename:add.h */

extern int add(int i, int j);

/* filename:add.c */
int add(int i, int j)
{
  return i + j;
};

/* filename:main.c */
#include "add.h"
main()
{
  int a, b;
  a = 2;
  b = 3;
  printf("the sum of a+b is %d", add(a + b));
};

怎样为上述三个文件产生makefile呢？如下：

-------------------------
test : main.o add.o
gcc main.o add.o -o test
 
main.o : main.c add.h
gcc -c main.c -o main.o
 
add.o : add.c add.h
gcc -c add.c -o add.o 
-----------------------

(注意分割符为TAB键）

上述makefile（由下自上执行？）：

（-c选项告诉GCC仅把源代码编译为目标代码而跳过汇编和连接的步骤）

说明：第2行说明，可执行文件test由两个目标文件：main.o和add.o链接而成；第3行说明如何利用main.o和add.o链接成test。

1）利用add.c和add.h文件执行gcc -c add.c -o add.o命令产生add.o目标代码；

2）利用main.c和add.h文件执行gcc -c main.c -o main.o命令产生main.o目标代码；

3）最后利用main.o和add.o文件（两个模块的目标代码）执行gcc main.o add.o -o test命令产生可执行文件test。

我们可在makefile中加入变量。另外，环境变量在make过程中也被解释成make的变量。这些变量是大小写敏感的，一般使用大写字母。Make变量可以做很多事情，例如：

i) 存储一个文件名列表；

ii) 存储可执行文件名；

iii) 存储编译器选项。

定义一个变量，只需要在一行的开始写下这个变量的名字，后面跟一个=号，再跟变量的值；

引用变量的方法是写一个$符号，后面跟（变量名）。我们把前面的 makefile 利用变量重写一遍（并假设使用-Wall -O –g编译选项）：     

OBJS = main.o add.o
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -O -g
test : $(OBJS)
$(CC) $(OBJS) -o test
main.o : main.c add.h
$(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o
add.o : add.c add.h
$(CC) $(CFLAGS) -c add.c -o add.o

makefile 中还可定义清除（clean）目标，可用来清除编译过程中产生的中间文件，例如在上述makefile文件中添加下列代码：

clean:

rm -f *.o

运行make clean时，将执行rm -f *.o命令，删除所有编译过程中产生的中间文件。

不管怎么说，自己动手编写makefile仍然是很复杂和烦琐的，而且很容易出错。因此，GNU也为我们提供了Automake和Autoconf来辅助快速自动产生makefile，读者可以参阅相关资料。

5.小结

本章主要阐述了Linux程序的编写、编译、调试方法及make，实际上就是引导读者学习怎样在Linux下编程，为后续章节做好准备。