Unix 环境高级编程（一）：开发环境

一、Unix操作系统

二、Linux操作系统

三、GNU编译工具（GCC）

1、简介

  GCC是以GPL许可证所发行的自由软件，也是GNU计划的关键部分。GCC的初衷是为GNU操作系统专门编写一款编译器，现已被大多数类Unix操作系统（如Linux、BSD、MacOS X等）采纳为标准的编译器，甚至在微软的Windows上也可以使用GCC。GCC支持多种计算机体系结构芯片，如x86、ARM、MIPS等，并已被移植到其他多种硬件平台。

  GCC原名为GNU C语言编译器（GNU C Compiler），只能处理C语言。但其很快扩展，变得可处理C++，后来又扩展为能够支持更多编程语言，如Fortran、Pascal、Objective -C、Java、Ada、Go以及各类处理器架构上的汇编语言等，所以改名GNU编译器套件（GNU Compiler Collection）。

2、基本用法

gcc [options] [filenames] 
/* GCC最基本的用法是∶gcc [options] [filenames] 
 * 其中 options 就是编译器所需要的参数
 * filenames 给出相关的文件名称
 * */

-c /* 只编译，不链接成为可执行文件，
	* 编译器只是由输入的.c等源代码文件生成.o为后缀的目标文件，
	* 通常用于编译不包含主程序的子程序文件 
	* */
	
-o /* output_filename，确定输出文件的名称为output_filename，
	* 同时这个名称不能和源文件同名。
	* 如果不给出这个选项，gcc就给出预设的可执行文件a.out 
	* */

-x /* 设定文件所使用的语言, 使后缀名无效, 对以后的多个有效
	* 根据约定 C 语言的后缀名称是 .c 的，
	* 而 C++ 的后缀名是 .C 或者 .cpp, 
	* 如果你很个性，决定你的 C 代码文件的后缀名是 .pig ，
	* 那你就要用这个参数, 这个参数对他后面的文件名都起作用，
	* 除非到了下一个参数的使用
	*  */

-I /* Idirname，
	* 将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中，
	* 是在预编译过程中使用的参数 
	* */

-E /* 只激活预处理,这个不生成文件, 
	* 你需要把它重定向到一个输出文件里面 
	* */

-S /* 只激活预处理和编译，就是指把文件编译成为汇编代码 */
	
-g /* 产生符号调试工具（GNU的gdb）所必要的符号资讯，
	* 要想对源代码进行调试，我们就必须加入这个选项
	*  */

-O /* 对程序进行优化编译、链接，
	* 采用这个选项，整个源代码会在编译、链接过程中进行优化处理，
	* 这样产生的可执行文件的执行效率可以提高，
	* 但是，编译、链接的速度就相应地要慢一些 
	* */

-v 			/*  gcc执行时执行的详细过程，gcc及其相关程序的版本号 */

-pedantic 	/* 对不符合ANSI/ISO C语言标准的扩展语法产生警告 */

-Wall 		/* 产生尽可能多的警告 */

-Werror 	/* 将警告作为错误处理 */

3、文件后缀

.c		/* C语言源代码文件 */

.h		/* 程序所包含的头文件 */

.i		/* 预处理后的C语言源代码文件 */

.s		/* 汇编语言文件 */

.S		/* 经过预编译的汇编语言源代码文件 */

.o		/* 编译后的目标文件 */

.a		/* 静态库文件 */

.so		/* 共享库(动态库)文件 */

4、构建过程

编辑 -> 预编译（预处理）-> 编译 -> 汇编 -> 链接

1. 编辑（hello.c）

/* 使用 vim 编辑器编写代码 */
vim hello.c

2. 预编译（hello.i）

/* 使用 -E 选项，生成 .i 预编译文件
 * 这个过程处理宏定义和include，去除注释，不会对语法进行检查
 */
gcc -E hello.c -o hello.i

3. 编译（hello.s）

/* 使用 -S 选项，生成 .s 汇编文件
 * 这个阶段，检查语法
 */
gcc -S hello.i

4. 汇编（hello.o）

/* 使用 -c 选项，生成 .o 目标文件 */
gcc -c hello.s

5. 链接（hello）

/* 使用 -o 选项，生成可执行文件 */
gcc hello.o -o hello

5、预处理指令

#include      // 将指定文件的内容插至此指令处 
#include_next // 与#include一样，但从当前目录之后的目录查找，极少用
#define       // 定义宏
#undef        // 删除宏
#if           // 判定
#ifdef        // 判定宏是否已定义
#ifndef       // 判定宏是否未定义
#else         // 与#if、#ifdef、#ifndef结合使用
#elif         // else if多选分支
#endif        // 结束判定
##            // 连接宏内两个连续的字符串
#             // 将宏参数扩展成字符串字面值
#error        // 产生错误，结束预处理
#warning      // 产生警告
#pragma       // 提供额外信息的标准方法，可用于指定平台
#pragma GCC dependency <文件>     // 若<文件>比此文件新则产生警告
#pragma GCC poison <标识>         // 若出现<标识>则产生错 误
#pragma pack(1/2/4/8)             // 按1/2/4/8字节对齐补齐
#line                             // 指定行号

For example:

1. error.c

#include <stdio.h>

#if (VERSION < 1)
	#error "Version is too low!"
#elif (VERSION > 4)
	#warning "version is too high!"
#endif

int main(void)
{
	printf("Version is :%d\n", VERSION);

	return 0;
}

2. line.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	printf("line is %d\n", __LINE__);
#line 100
	printf("line is %d\n", __LINE__);	

	return 0;
}

3. pragma.c

#include <stdio.h>

#pragma GCC dependency "tmp.c" // 若tmp.c比此文件新则产生警告

int main(void)
{
		

	return 0;
}

#include <stdio.h>

#pragma GCC poison goto float  // 若出现 goto 或 float 则产生错误

int main(void)
{

	float a;
		
loop :
	goto loop;

	return 0;
}

/* 64位操作系统下，默认8字节对齐 */
#include <stdio.h>

#pragma pack(1)
    struct S1 
    {
        double d;
        char   c;
        int    i;
        short  h;
    }; // DDDDDDDDCIIIIHH, 15
#pragma pack(4)
    struct S2 
    {
        double d;
        char   c;
        int    i;
        short  h;
    }; // DDDDDDDDCXXXIIIIHHXX, 20
#pragma pack(8)
    struct S3 
    {
        double d;
        char   c;
        int    i;
        short  h;
    }; // DDDDDDDDCXXXXXXXIIIIHHXX, 24


int main(void)
{
#pragma pack()
    printf ("S1: %lu字节\n", sizeof (struct S1));
    printf ("S2: %lu字节\n", sizeof (struct S2));
    printf ("S3: %lu字节\n", sizeof (struct S3));

	return 0;
}

6、预定义宏

__BASE_FILE__     // 正在编译的源文件名
__FILE__          // 所在文件名
__LINE__          // 行号
__FUNCTION__      // 函数名
__func__          // 同__FUNCTION__
__DATE__          // 日期
__TIME__          // 时间
__INCLUDE_LEVEL__ // 包含层数，从0开始
__cplusplus       // C++编译器将其定义为1，
                  // C编译器不定义该宏

For example:

1. print.h

#ifndef _PRINT_H
#define _PRINT_H

#include <stdio.h>

void print (void) 
{
    printf ("__BASE_FILE__     : %s\n", __BASE_FILE__);
    printf ("__FILE__          : %s\n", __FILE__);
    printf ("__LINE__          : %d\n", __LINE__);
    printf ("__FUNCTION__      : %s\n", __FUNCTION__);
    printf ("__func__          : %s\n", __func__);
    printf ("__DATE__          : %s\n", __DATE__);
    printf ("__TIME__          : %s\n", __TIME__);
    printf ("__INCLUDE_LEVEL__ : %d\n", __INCLUDE_LEVEL__);
#ifdef __cplusplus
    printf ("__cplusplus       : %d\n", __cplusplus);
#endif // __cplusplus
}

#endif//_PRINT_H

2. predef.h

#ifndef _PREDEF_H
#define _PREDEF_H

#include "print.h"

#endif//_PREDEF_H

3. predef.c

#include "predef.h"


int main (void) 
{
    print ();
    return 0;
}

7、环境变量

C_INCLUDE_PATH     // C头文件的附加搜索路径，相当于gcc的-I选项
CPATH              // 同C_INCLUDE_PATH
CPLUS_INCLUDE_PATH // C++头文件的附加搜索路径
LIBRARY_PATH       // 链接时查找静态库/共享库的路径
LD_LIBRARY_PATH    // 运行时查找共享库的路径

1. 通过gcc的-I选项指定C/C++头文件的附加搜索路径

gcc calc.c cpath.c -I.

2. 将当前目录作为C头文件附加搜索路径，添加到CPATH环境变量中

export CPATH=$CPATH:. // export保证当前shell的,子进程继承此环境变量
echo $CPATH
env | grep CPATH

3. 也可以在_/.bashrc或/.bash_profile，配置文件中写环境变量，永久有效

export CPATH=$CPATH:.
执行
# source ~/.bashrc 或 # source ~/.bash_profile
//生效，以后每次登录自动生效。

4. 头文件的三种定位方式
   a）#include “目录/xxx.h”
     头文件路径发生变化，需要修改源程序
   b）C_INCLUDE_PATH/CPATH=目录
     同时构建多个工程，可能引发冲突
   c）gcc -I目录
     既不用改程序，也不会有冲突
5. 头文件的作用
   a）声明外部变量、函数和类
   b）定义宏、类型别名和自定义类型
   c）包含其它头文件
   d）借助头文件卫士，防止因同一个头文件被多次包含，而引发重定义错
6. 包含头文件时需要注意的问题
   a）gcc的-I选项
     指定头文件附加搜索路径
   b）#include <…>
     先找-I指定的目录，再找系统目录
   c）#include “…”
     先找-I指定的目录，再找当前目录，最后找系统目录
   d）头文件的系统目录

/usr/include 
/usr/local/include 
/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5.4.0/include

四、静态库

1、简介

1. 链接静态库是将库中的被调用代码复制到调用模块中
2. 静态库占用空间非常大，不易修改但执行效率高
3. 静态库的缺省扩展名是.a

2、创建静态库

1. 编辑源代码

vim xxx.c/xxx.h

2. 编译成目标文件

gcc -c xxx.c -o xxx.o

3. 打包成静态库文件

ar -r libxxx.a xxx.o ...

3、ar 指令

ar指令：ar [选项] 静态库文件名 目标文件列表 
-r // 将目标文件插入到静态库中，已存在则更新 
-q // 将目标文件追加到静态库尾 
-d // 从静态库中删除目标文件 
-t // 列表显示静态库中的目标文件 
-x // 将静态库展开为目标文件 
/* 注意：提供静态库的同时也需要提供头文件 */

4、调用静态库

1. 直接调用

gcc main.c libxxx.a

2. 通过LIBRARY_PATH环境变量指定库路径

export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:.
gcc main.c -lmath (环境法)

3. 通过gcc的-L选项指定库路径

unset LIBRARY_PATH
gcc main.c -lmath -L. (参数法)

4. 一般化的方法：

gcc .c/.o -l<库名> -L<库路径>

5. 运行
     在可执行程序的链接阶段，已将所调用的函数的二进制代码，复制到可执行程序中，因此运行时不需要依赖静态库。

五、共享库

1、简介

1. 链接共享库则只是在调用模块中，嵌入被调用代码在库中的(相对)地址
2. 共享库占用空间小，易于修改但执行效率略低
3. 共享库的缺省扩展名是.so

2、创建共享库

1. 编辑源程序

vim xxx.x/xxx.h

2. 编译成目标文件

gcc -c -fpic xxx.c

3. 链接成共享库文件

gcc -shared xxx.o -o libxxx.so

4. PIC (Position Independent Code)
     位置无关代码。可执行程序加载它们时，可将其映射到其地址空间的任何位置。

-fPIC // 大模式，生成代码比较大，运行速度比较慢，所有平台都支持。 
-fpic // 小模式，生成代码比较小，运行速度比较快，仅部分平台支持。 
/* 注意：提供共享库的同时也需要提供头文件 */

3、调用共享库

1. 直接调用

gcc main.c libxxx.so

2. 通过LIBRARY_PATH环境变量指定库路径

export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:.
gcc main.c -lmath (环境法)

3. 通过gcc的-L选项指定库路径

unset LIBRARY_PATH
gcc main.c -lmath -L. (参数法)

4. 一般化的方法

gcc .c/.o -l<库名> -L<库路径>

3、运行

  运行时需要保证LD_LIBRARY_PATH，环境变量中包含共享库所在的路径。
  在可执行程序的链接阶段，并不将所调用函数的二进制代码复制到可执行程序中。
  而只是将该函数在共享库中的地址嵌入到可执行程序中，因此运行时需要依赖共享库。
  gcc缺省链接共享库，可通过-static选项强制链接静态库。

六、动态加载共享库

1、头文件

#include <dlfcn.h>

2、加载共享库

/*
* 返回值：
* 		成功返回共享库句柄，失败返回NULL。
* 
* 参数：
*   filename：共享库路径
*      若只给文件名，则根据LD_LIBRARY_PATH环境变量搜索。
*   flag取值：加载方式
*      RTLD_LAZY - 延迟加载，使用共享库中的符号 (如调用函数)时才加载。 
*      RTLD_NOW  - 立即加载。
*/
void* dlopen (const char* filename,    int flag);

3、获取函数地址

/*
 * 返回值：
 * 		成功返回函数地址，失败返回NULL。
 * 
 * 参数：
 * 		hanedle:共享库句柄
 * 		symbol:函数名
 */
void* dlsym (void* handle,const char* symbol );

4、卸载共享库

/*
 * 成功返回0，失败返回非零。
 */
int dlclose (void* handle);

5、 获取错误信息

/*
 * 有错误发生则返回错误信息字符串指针，否则返回NULL。
 */
char* dlerror (void);

七、辅助工具