linux系统编程(1)--GCC和GDB

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分类专栏： linux系统编程文章标签： linux

于 2023-04-02 20:52:35 首次发布

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OS：ubuntu16.04

1.GCC编译器

gcc（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件），是由 GNU 开发的编程语言编译器。gcc原本作为GNU操作系统的官方编译器，现已被大多数类Unix操作系统（如Linux、BSD、Mac OS X等）采纳为标准的编译器，gcc同样适用于微软的Windows。

gcc最初用于编译C语言，随着项目的发展gcc已经成为了能够编译C、C++、Java、Ada、fortran、Object C、Object C++、Go语言的编译器大家族。

基本语法：

gcc [-option] <filename>

gcc常用选项	作用
-o file	指定生成的输出文件名为file
-E	只进行预处理
-S(大写)	只进行预处理和编译
-c(小写)	只进行预处理、编译和汇编
-v / --version	查看gcc版本号
-g	包含调试信息
-On n=0~3	编译优化，n越大优化得越多
-Wall	提示更多警告信息
-D	编译时定义宏

示例：

#准备一个测试用的hello.c文件
#分步编译：预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接
gcc -E hello.c -o hello.i
gcc -S hello.i -o hello.s
gcc -c hello.s -o hello.o
gcc    hello.o -o hello

#一步编译：
gcc hello.c -o hello
#如果不用 -o 选项指定输出文件名字, gcc编译器会生成一个默认的可以执行a.out。

#显示所有的警告信息：
gcc -Wall test.c

#将警告信息当做错误处理：
gcc -Wall -Werror test.c

#编译时定义宏：
#准备测试文件：printf("SIZE: %d\n", SIZE);
gcc test.c -DSIZE=10

2.静态链接和动态链接

2.1 静态链接

由链接器在链接时将库的内容加入到可执行程序中。

优点：

对运行环境的依赖性较小，具有较好的兼容性

缺点：

生成的程序比较大，需要更多的系统资源，在装入内存时会消耗更多的时间
库函数有了更新，必须重新编译应用程序

2.2 动态链接

链接器在链接时仅仅建立与所需库函数的之间的链接关系，在程序运行时才将所需资源调入可执行程序。

优点：

在需要的时候才会调入对应的资源函数
简化程序的升级；有着较小的程序体积
实现进程之间的资源共享（避免重复拷贝）

缺点：

依赖动态库，不能独立运行
动态库依赖版本问题严重

2.3 对比

#创建一个简单的测试文件test.c

#动态链接(默认为动态链接)：
gcc test.c -o test_dynamic
#静态链接：
gcc -static test.c -o test_static

#完成后，使用ll命令查看两个文件大小，静态链接的文件要远大于动态链接的文件。

3.静态库和动态库

3.1 静态库的制作

静态库可以认为是一些目标代码的集合，是在可执行程序运行前就已经加入到执行码中，成为执行程序的一部分。

注意：

静态库的命名一般分为三个部分：

前缀：lib
库名称：自己定义
后缀：.a

所以最终的静态库的名字应该为：libxxx.a

步骤：

准备一些放进库中的测试文件。

add.h:

#ifndef __ADD_H__
#define __ADD_H__

int add(int x, int y);

#endif /*__ADD_H__*/

add.c

#include "add.h"

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

类似可以完成减法，乘法，除法。

将c源文件生成对应的.o文件。

gcc -c add.c -o add.o
gcc -c sub.c -o sub.o
gcc -c mul.c -o mul.o
gcc -c div.c -o div.o

使用打包工具ar将准备好的.o文件打包为.a文件。

ar -rcs libtest.a add.o sub.o mul.o div.o
#r:更新
#c:创建
#s:建立索引

3.2 静态库的使用

静态库制作完成之后，需要将.a文件和头文件一起发布给用户。

编写一个测试文件test.c，内容如下：

#include <stdio.h>

#include "add.h"
#include "sub.h"
#include "mul.h"
#include "div.h"

int main(void)
{
    int x = 18;
    int y = 23;

    printf("x + y = %d\n", add(x, y));
    printf("x - y = %d\n", sub(x, y));
    printf("x * y = %d\n", mul(x, y));
    printf("x / y = %d\n", mydiv(x, y));

    return 0;
}

将拿到的.a文件和头文件放在和测试文件的同一目录下。

编译，然后就可以运行了

gcc test.c -L./ -I./ -ltest -o test
#-L：表示要连接的库所在目录
#-I：表示指定头文件的目录为当前目录
#-l(小写L)：指定链接时需要的库，去掉前缀和后缀

3.3 动态库的制作

共享库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入。不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例，规避了空间浪费问题。

动态库在程序运行是才被载入，也解决了静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。用户只需要更新动态库即可，增量更新。

注意：

共享库的命名一般分为三个部分：

前缀：lib
库名称：自己定义即可
后缀：.so

所以最终的动态库的名字应该为：libxxx.so

步骤：

准备一些放进库中的测试文件。

add.h:

#ifndef __ADD_H__
#define __ADD_H__

int add(int x, int y);

#endif /*__ADD_H__*/

add.c

#include "add.h"

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

类似可以完成减法，乘法，除法。

生成目标文件。

gcc -fPIC -c add.c
gcc -fPIC -c sub.c
gcc -fPIC -c mul.c
gcc -fPIC -c div.c
#-fPIC：创建与地址无关的编译程序(pic，position independent code)，为了能够在多个应用程序间共享。

生成共享库

gcc -shared add.o sub.o mul.o div.o -o libtest.so
#-shared：指定生成动态链接库

通过nm命令查看对应的函数

nm libtest.so | grep add
nm libtest.so | grep sub

ldd命令：查看可执行文件的依赖的动态库

3.4 动态库的使用

编写测试文件test.c，内容如下：

#include <stdio.h>

#include "add.h"
#include "sub.h"
#include "mul.h"
#include "div.h"

int main(void)
{
    int x = 18;
    int y = 23;

    printf("x + y = %d\n", add(x, y));
    printf("x - y = %d\n", sub(x, y));
    printf("x * y = %d\n", mul(x, y));
    printf("x / y = %d\n", mydiv(x, y));

    return 0;
}

让系统能找到我们写的动态库
这时用静态库的方式（gcc test.c -L./ -I./ -ltest）的方式是行不通的，运行./a.out，会报错。

原因：
- 当系统加载可执行代码时候，能够知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道绝对路径。此时就需要系统动态载入器(dynamic linker/loader)。
- 对于elf格式的可执行程序，是由ld-linux.so*来完成的，它先后搜索elf文件的 DT_RPATH段 — 环境变量LD_LIBRARY_PATH — /etc/ld.so.cache文件列表 — /lib/, /usr/lib目录找到库文件后将其载入内存。

还是要先执行gcc test.c -L./ -I./ -ltest，然后按以下任意方式操作。

方式①：拷贝自己制作的共享库到/lib或者/usr/lib(不能是/lib64目录)。
方式②：临时设置LD_LIBRARY_PATH

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:库路径

方式③：永久设置，把export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:库路径，设置到~/.bashrc或者 /etc/profile文件中。

vim ~/.bashrc
#在最下面添加：
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:库路径

source ~/.bashrc

方式④：将库路径添加到 /etc/ld.so.conf文件中

sudo vim /etc/ld.so.conf
#文件最后添加动态库路径(绝对路径)

sudo ldconfig -v	#该命令会重建/etc/ld.so.cache文件

方式⑤：使用符号链接（使用绝对路径）

sudo ln -s 库路径/libtest.so /lib/libtest.so

4.GDB调试器

4.1 GDB简介

GNU工具集中的调试器是GDB（GNU Debugger），该程序是一个交互式工具，工作在字符模式。

除gdb外，linux下比较有名的调试器还有xxgdb, ddd, kgdb, ups。

GDB主要帮忙你完成下面四个方面的功能：

启动程序，可以按照你的自定义的要求随心所欲的运行程序。
可让被调试的程序在你所指定的调置的断点处停住。（断点可以是条件表达式）
当程序被停住时，可以检查此时你的程序中所发生的事。
动态的改变你程序的执行环境。

4.2 调试前的准备工作

准备一个测试用文件test.c

#include <stdio.h>

void fun()
{
    int i = 0;

    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("fun==> i = %d\n", i); 
    }

}
int main(int argc, char **argv)
{
    //将传入参数全部输出
    int i = 0;					//c98标准不支持在for循环内定义变量
    for (i = 0; i < argc; i++)
    {
        printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]); 
    }

    fun();

    return 0;
}

使用-g参数进行编译，生成调试信息

gcc -g test.c -o test		
#-g：把调试信息加到可执行文件中
#如果没有-g，将看不见程序的函数名、变量名，所代替的全是运行时的内存地址。
#C++文件使用：g++ -g test.cpp -o test

启动GDB调试器

#启动GDB调试器
#语法：gdb <可执行文件名>
gdb test	

#设置运行参数
#语法：set args <参数1> <参数2>...
set args 10 20 30 40 50

#查看设置的运行参数
show args

#启动程序
run			#程序开始执行，如果有断点，停在第一个断点处
start		#运行调试程序，直到主过程开始。

报错问题

在centos7上面gdb调试程序时候，报错：

Missing separate debuginfos, use: debuginfo-install glibc-2.17-157.el7_3.5.x86_64

解决方式：

先修改"/etc/yum.repos.d/CentOS-Debuginfo.repo"文件的 enable=1
sudo yum install -y glibc
debuginfo-install glibc

4.3 显示源代码

以下所有操作在启动GDB调试器后进行！

#用list命令来打印程序的源代码，默认打印10行(当前行的上5行和下5行)。
list n			#打印第n行的上下文内容
list function	#打印名为function的函数的源程序
list			#显示当前行后面的源程序
list -			#显示当前行前面的源程序

set listsize n		#设置一次显示n行源代码
show listsize		#查看当前listsize的设置

4.4 断点设置

以下所有操作在启动GDB调试器后进行！

4.4.1 简单断点

#break命令设置断点(可简写为b)
b 10			#在源程序第10行设置断点
b func			#在func函数入口处设置断点

4.4.2 多文件设置断点

#C++中可使用class::function或function(type,type)格式来指定函数名。
#如果有命名空间可使用namespace::class::function或者function(type,type)格式来指定函数名。
break file:n			#在源文件file的n行处设置断点

break file:function		#在源文件file的function函数的入口处设置断点

break class::function	#在类class的function函数的入口处设置断点
break function(type,type)

break namespace::class::function

4.4.3 条件断点

为断点设置一个条件，使用if关键词，后面跟其断点条件。
条件断点必须设置在循环体内。

break test.c:9 if i==5		#在test.c文件的第9行设置断点，当变量i等于5时触发断点

4.4.4 查询断点

#info可简写为i，break可简写为b
#以下四种都可以
info b
info break
i break
i b

4.4.5 维护断点

#delete可简写为d
delete 5			#删除断点号为5的断点
delete 5-7			#删除断点号5到7的所有断点
#如果不指定断点号，则表示删除所有的断点。

#disable可简写为dis
disable 5			#使5号断点失效
#如果不指定断点号，表示disable所有断点。

#enable可简写为ena
enable 5			#使5号断点生效
#如果不指定断点号，表示enable所有断点。

4.5 调试操作

以下所有操作在启动GDB调试器后进行！

run			#运行程序，可简写为r
next		#单步跟踪，函数调用时不进入函数，可简写为n
step		#单步跟踪，函数调用会进入被调用函数体内，可简写为s
finish		#退出进入的函数
until		#在一个循环体内单步跟踪时，这个命令可以使程序运行到退出循环体,可简写为u。
continue	#继续运行程序，停在下一个断点的位置，可简写为c
quit		#退出gdb，可简写为q

4.6 查看修改变量的值

以下所有操作在启动GDB调试器后进行！

#print可简写为p
print i		#打印变量i的值
ptype i		#打印变量i的类型
print i=8	#修改变量i的值为8
set var width=66	#设置变量width的值为66

#p[/输出格式] <变量名>
#输出格式x(十六进制),d(十进制),u(十六进制无符号整型),o(八进制),t(二进制),c(字符),f(浮点数)
p/c i		#将变量i以字符格式输出

4.7 自动显示变量的值

以下所有操作在启动GDB调试器后进行！

可以设置一些自动显示的变量，当程序停住时，或是在你单步跟踪时，这些变量会自动显示

display 变量名		  #自动显示该变量的值

info display		#查看display设置的自动显示的信息
#在info display的信息中可以看到:在我们设置自动显示的变量前都有一个编号
#可以用这个编号对自动显示的变量进行操作

undisplay 5			#取消编号为5的变量的自动显示
delete display 5	#删除编号为5的自动显示

disable display 5
enable display 5