【Linux】--- Linux编译器-gcc/g++、调试器-gdb、项目自动化构建工具-make/Makefile 使用

一、Linux编译器-gcc/g++

1.1 gcc/g++ 使用方法

格式：gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件]，gcc / g++安装： sudo yum install -y gcc-c++。安装后的编译器默认的版本是较低的，我们可以使用选项-std=c99（即使用c99标准），-std=c++11（即使用c++11的标准）来进行版本提升。使用-o选项，可以将编译生成的可执行重命名。最后使用./可执行，来运行程序。如下：

Linux中一个文件要真正的执行：1. 有x权限；2. 就是一个可执行文件。 很明显文件test.exe满足上述条件！

1.2 程序的翻译过程

程序的翻译过程，可以说是生成二进制方案的过程，具体可以细分为以下几步：

• 预处理：

预处理功能主要包括宏定义,文件包含,条件编译,去注释等。 预处理指令是以#号开头的代码行。

实例: gcc -E test.c -o test.i。选项"-E"，该选项的作用是让gcc从现在开始进行程序的翻译，预处理完成就停下！ 选项"-o"是指目标文件，".i"文件为已经过预处理的C原始程序。

• 编译（生成汇编）:

在这个阶段中，gcc 首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，gcc把c语言代码翻译成汇编语言。

实例: gcc -S test.i -o test.s。用户可以使用"-S"选项来进行查看，该选项的作用是让gcc从现在开始进行程序的翻译，编译完成就停下！ 可以从test.c开始编译，也可以从test.i开始。

• 汇编（生成机器可识别代码）：

汇编阶段是把编译阶段生成的".s"文件转成目标文件（即将汇编语言编译成为，二进制目标文件）

实例: gcc -c test.s -o test.o。读者在此可使用选项"-c"，该选项的作用是让gcc从现在开始进行程序的翻译，汇编完成就停下！。就可看到汇编代码已转化为".o"的二进制目标代码了。

• 链接（生成可执行文件或库文件）:

实例: gcc hello.o –o hello。在成功编译之后，就进入了链接阶段，最后形成可执行程序。

那么为什么会有这些过程呢？

这就要说到编程语言的历史了。最初的计算机只能处理二进制，二进制是处理器的“母语”。这叫“机器语言”或者“机器码”。在计算机早期阶段，必须用机器码写程序（即二进制编程）（前段时间很火的《三体1》中，早期叶文洁当时就是使用的二进制编程，还用到了打孔带，上面记录的就是二进制信息）。

在1940-1950年代，程序员开发一种新语言（汇编语言），它为每个操作码分配一个简单名字，叫“助记符”，助记符后面紧跟数据，形成完整指令。当然，计算机并不认识助记符，它只认得二进制码，然后就有了汇编的编译器，它可以读懂文字指令，自动转换成二进制指令，这种程序叫“汇编器”

汇编语言直接对应机器码，虽然已经很方便了。但是，汇编器仍然强迫程序员思考，用什么寄存器和内存地址，如果我们突然要用额外一个数，可能要改很多代码。这时候就出现了一些高级语言和与之对应的编译器（如：C，C++，Java…）。

因为计算机只认识二进制。以c语言为例，所以我们要先将c语言代码转化为汇编代码，然后再转为二进制目标文件。 那为什么不直接将c语言转为二进制目标文件呢？因为前人已经写好了汇编的编译器，我们只需站在巨人的肩膀上，再将高级语言转为较简单的汇编代码即可。

那么如何形成第一个汇编写的汇编编译器呢？

先用二进制写一个汇编编译器（此时汇编代码便可通过此编译器形成软件）。汇编编译器本质上就是软件，那么便可先用汇编语言写一个新的编译器，再将这个新的编译器放在二进制写的汇编编译器上执行，最后形成新的汇编编译器(软件)。日后只需维护汇编代码即可！ 这个过程也可叫做编译器的自举(bootstrap)，c语言的第一个编译器也是如此形成的！

1.3 链接 – 动静态链接特点及区别

我们的C程序中，并没有定义"printf"的函数实现，且在预编译中包含的"stdio.h"中也只有该函数的声明，而没有定义函数的实现，那么，是在哪里实"printf"函数的呢?

最后的答案是：系统把这些函数实现都被做到名为 libc.so.6的库文件中去了，在没有特别指定时，gcc会到系统默认的搜索路径 /usr/lib下进行查找，也就是链接到 libc.so.6库函数中去,这样就能实现函数"printf"了，而这也就是链接的作用。

函数库一般分为静态库和动态库两种。

• 静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大,但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为".a"
• 动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为".so"，如前面所述的 libc.so.6就是动态库。gcc在编译时默认使用动态库。完成了链接之后，gcc就可以生成可执行文件，如下所示。 gcc test.o –o test

• gcc默认生成的二进制程序，是动态链接的，这点可以通过 file命令验证。

验证：

1. -static指令，作用是链接时使用静态链接：

2. ldd 可执行指令，作用是查看链接的库：

3. file filename指令，查看链接属性：

动态库 && 动态链接的优缺点：1. 不能丢失。共享动态库，但是一旦动态库缺失，所有的动态链接这个库的程序，都无法执行！ 2. 节省资源。

静态库 && 静态链接的优缺点：1. 一旦形成，与库无关。在编译的时候，把库中的方法，拷贝到我自己的可执行程序中，此时程序将不再关心任何的库； 2. 浪费资源，占用空间大。

二、Linux调试器-gdb

2.1 背景

程序的发布方式有两种，debug模式和release模式。Linux gcc/g++出来的二进制程序，默认是release模式。 要使用gdb调试，必须在源代码生成二进制程序的时候，加上 -g选项，此时编译器形成可执行程序的时候，会给可执行程序添加调试信息。 我们也可以发现可调式的可执行程序比普通的程序占用内存大。

调试信息大致如下：

2.2 使用方法

gdb binFile退出： ctrl + d或 quit调试命令：

• list／l 行号： 显示binFile源代码，接着上次的位置往下列，每次列10行。
• list／l 函数名： 列出某个函数的源代码。
• r或run： 运行程序（对比VS F5）。
• n 或 next： 单条执行，逐过程（对比VS F10）。
• s或step： 进入函数调用，逐语句（对比VS F11）。
• break(b) 行号： 在某一行设置断点。
• break 函数名： 在某个函数开头设置断点。
• info break ： 查看断点信息。
• finish： 执行到当前函数返回，然后停下来等待命令。
• print()： 打印表达式的值，通过表达式可以修改变量的值或者调用函数。
• p 变量： 打印变量值。
• set var： 修改变量的值。
• continue(或c)： 从当前位置开始连续而非单步执行程序。
• delete breakpoints(b)： 删除所有断点。
• delete breakpoints((b) n： 删除序号为n的断点。
• disable breakpoints(b)： 禁用断点。
• enable breakpoints(b)： 启用断点。
• info(或i) breakpoints(b)： 参看当前设置了哪些断点。
• display 变量名： 跟踪查看一个变量，每次停下来都显示它的值。
• undisplay： 取消对先前设置的那些变量的跟踪。
• until X行号： 跳至X行。
• breaktrace(或bt)： 查看各级函数调用及参数。
• info（i) locals： 查看当前栈帧局部变量的值。
• quit： 退出gdb。

三、Linux项目自动化构建工具-make/Makefile

3.1 背景

• 会不会写makefile，从一个侧面说明了一个人是否具备完成大型工程的能力；
• 一个工程中的源文件不计数，其按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，makefile定义了一系列的规则来指定，哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作；

• makefile带来的好处就是——“自动化编译”，一旦写好，只需要一个make命令，整个工程完全自动编译，极大的提高了软件开发的效率；
• make是一个命令工具，是一个解释makefile中指令的命令工具，一般来说，大多数的IDE都有这个命令，比如：Delphi的make，Visual C++的nmake，Linux下GNU的make。可见，makefile都成为了一种在工程方面的编译方法；

• make是一条命令，makefile是一个文件，两个搭配使用，完成项目自动化构建。

3.2 原理

make是如何工作的，在默认的方式下，也就是我们只输入make命令。那么，

1. make会在当前目录下找名字叫"Makefile"或"makefile"的文件。
2. 如果找到，它会找文件中的第一个目标文件（target），在上面的例子中，他会找到"code.exe"这个文件，并把这个文件作为最终的目标文件。
3. 如果code.exe文件不存在，或是code.exe所依赖的后面的code.o文件的文件修改时间要比code.exe这个文件新（可以用 touch测试 - 前面讲过touch可以修改文件最近一次被修改的时间），那么，他就会执行后面所定义的命令来生成code.exe这个文件。
4. 如果code.exe所依赖的code.o文件不存在，那么make会在当前文件中找目标为code.o文件的依赖性，如果找到则再根据那一个规则生成code.o文件。（这有点像一个堆栈的过程）
5. 当然，你的C文件和H文件是存在的啦，于是make会生成 code.o文件，然后再用 code.o文件声明make的终极任务，也就是执行文件code.exe了。
6. 这就是整个make的依赖性，make会一层又一层地去找文件的依赖关系，直到最终编译出第一个目标文件。
7. 在找寻的过程中，如果出现错误，比如最后被依赖的文件找不到，那么make就会直接退出，并报错，而对于所定义的命令的错误，或是编译不成功，make根本不理。
8. make只管文件的依赖性，即，如果在我找了依赖关系之后，冒号后面的文件还是不在，那么对不起，我就不工作啦。

makefile / make会自动根据文件中的依赖关系，进行自动推导，帮助我们执行所有的相关的依赖方法。

• makefile文件中，保存了编译器和链接器的参数选项，并且描述了所有源文件之间的关系。make程序会读取makefile文件中的数据，然后根据规则调用编译器，汇编器，链接器产生最后的输出。
• Makefile里主要包含了五个东西：显式规则、隐晦规则、变量定义、文件指示和注释。1. 显式规则说明了，如何生成一个或多个目标文件。2. make有自动推导的功能，所以 隐晦规则可以让我们比较粗糙地简略地书写makefile ，比如源文件与目标文件之间的时间关系判断之类。3. 在makefile中可以定义变量，当makefile被执行时，其中的变量都会被扩展到相应的引用位置上。4. 通常使用 $(var) 表示引用变量文件指示。包含在一个makefile中引用另一个makefile，类似C语言中的include。5. 注释，makefile中可以 使用 # 在行首表示行注释。

• 默认的情况下，make命令会在当前目录下按顺序找寻文件名为“GNUmakefile”、“makefile”、“Makefile”的文件

3.3 项目清理

• 工程是需要被清理的
• 像clean这种，没有被第一个目标文件直接或间接关联，那么它后面所定义的命令将不会被自动执行，不过，我们可以显示要make执行。 即命令——“make clean”，以此来清除所有的目标文件，以便重编译。
• 但是一般我们这种clean的目标文件，我们将它设置为伪目标，用.PHONY 修饰，伪目标的特性是，总是被执行的。 makefile中的伪对象表示对象名称并不代表真正的文件名，与实际存在的同名文件没有相互关系，因此伪对象不管同名目标文件是否存在都会执行对应的生成指令。伪对象的作用有两个，1. 使目标对象无论如何都要重新生成。2. 并不生成目标文件，而是为了执行一些指令.

于是我们便可使用vim编写如上内容。里面$相当于取值操作，@最终会被替换目标文件，而^会被替换为依赖方法。