瓜瓜头条

c语言的编译与调试

2024-07-23 22:23 由 大雄的叮当猫 发表于 #后端开发

1. GCC/G++

gcc和g++是GNU Compiler Collection中的编译器，分别用于编译C和C++程序。它们的编译过程主要包括四个步骤：预处理（Pre-Processing）、编译（Compiling）、汇编（Assembling）、链接（Linking）。

1.1 编译过程

  1. 预处理（Pre-Processing）：

    gcc -E hello.c -o hello.i

    对hello.c文件进行预处理，生成预处理文件hello.i。

    作用：扩展宏、包含头文件、处理条件编译、删除注释等。

  2. 编译（Compiling）：

    gcc -S hello.i -o hello.s

    对预处理文件进行编译，生成汇编文件hello.s。

    作用：将高级语言代码转换为汇编语言，便于进一步转换为机器代码。

  3. 汇编（Assembling）：

    gcc -c hello.s -o hello.o

    对汇编文件进行汇编，生成目标文件hello.o。

    作用：将汇编代码转换为机器代码，包含程序的二进制指令，但还未链接库函数或其他目标文件。

  4. 链接（Linking）：

    gcc hello.o -o hello

    对目标文件进行链接，生成可执行文件hello。

    作用：生成最终的可执行程序，可以在目标操作系统上运行。

可以一步完成所有过程：

gcc hello.c -o hello

或者只生成目标文件：

gcc -c hello.c -o hello.o

1.2 GCC基本使用

  • 编译单个C文件并生成可执行文件：

    gcc -o outputfile sourcefile.c

    -o outputfile：指定输出的可执行文件名。

    sourcefile.c：要编译的源文件。

  • 编译多个C文件并生成可执行文件：

    gcc -o myprogram file1.c file2.c file3.c

  • 编译并生成目标文件（.o文件）：

    gcc -c file.c

    -c：仅编译，生成目标文件（object file）。

  • 指定头文件目录：

    gcc -Iinclude -o myprogram src/file1.c src/file2.c

    -Iinclude：指定包含头文件的目录include。

    详细解释：

    -I 选项用于指定头文件的搜索目录。这在包含自定义头文件或者头文件不在标准目录时非常有用。

    头文件（.h或.hpp文件）通常包含函数声明、宏定义、数据类型、预处理指令等。当编写一个程序时，头文件可以被多个源文件包含，以便共享这些声明和定义。

    编译器默认会在一些标准目录中搜索头文件，比如 /usr/include 和 /usr/local/include。如果头文件不在这些默认目录中，编译器就无法找到它们，会报错。

    使用 -I 选项可以告诉编译器在指定目录中搜索头文件。假设你的头文件在一个自定义目录中，比如 include 目录，可以使用以下命令：

    gcc -Iinclude -o myprogram src/main.c

    这样编译器就会在 include 目录中找到头文件。以下是一个示例：

    // include/myheader.h
#ifndef MYHEADER_H
#define MYHEADER_H

void myFunction();

#endif

// src/main.c
#include "myheader.h"
#include <stdio.h>

void myFunction() {
    printf("Hello from myFunction!\n");
}

int main() {
    myFunction();
    return 0;
}

    编译命令：

    gcc -Iinclude -o myprogram src/main.c

  • 链接目标文件生成可执行文件：

    gcc -o myprogram file1.o file2.o

1.3 GCC常用选项

  • 编译优化：

    -O1、-O2、-O3：不同级别的优化。

    -Os：优化生成的代码大小。

  • 调试信息：

    -g：生成调试信息，用于调试程序。

  • 警告信息：

    -Wall：启用所有常见的警告。

    -Werror：将所有警告视为错误。

1.4 G++使用

g++用于编译C++程序，使用方法与gcc类似：

  • 编译单个C++文件并生成可执行文件：

    g++ -o outputfile sourcefile.cpp

  • 编译多个C++文件并生成可执行文件：

    g++ -o myprogram file1.cpp file2.cpp

  • 编译并生成目标文件（.o文件）：

    g++ -c file.cpp

    -c：仅编译，生成目标文件（object file）。

  • 指定头文件目录：

    g++ -Iinclude -o myprogram src/file1.cpp src/file2.cpp

    -Iinclude：指定包含头文件的目录include。

  • 链接目标文件生成可执行文件：

    g++ -o myprogram file1.o file2.o

2.Makefile

Makefile 是用于自动化编译和构建软件项目的工具。在大型项目中，手动编译每个文件非常繁琐，使用 Makefile 可以简化这一过程。Makefile 由一系列规则（rules）组成，每个规则包含目标（target）、依赖（dependencies）和命令（commands）。

2.1 基本结构

一个基本的 Makefile 的规则结构如下：

target: dependencies
    command
  • target：要生成的文件或目标，可以是可执行文件、目标文件或其他规则。
  • dependencies：生成目标所依赖的文件或其他目标。
  • command：生成目标所需执行的命令。

2.2 示例

假设有以下项目结构：

project/
├── include/
│   └── myheader.h
├── src/
│   ├── main.c
│   ├── file1.c
│   ├── file2.c
├── Makefile

Makefile 内容如下：

# 指定编译器
CC = gcc

# 编译选项
CFLAGS = -Wall -g -Iinclude

# 源文件目录
SRC_DIR = src

# 所有的源文件
SRCS = $(wildcard $(SRC_DIR)/*.c)

# 生成的目标文件
OBJS = $(SRCS:.c=.o)

# 生成的可执行文件名
TARGET = myprogram

# 默认规则，生成最终的可执行文件
all: $(TARGET)

# 生成最终的可执行文件 $(TARGET)，依赖所有目标文件 $(OBJS)
$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) -o $@ $^

# 生成目标文件的规则
$(SRC_DIR)/%.o: $(SRC_DIR)/%.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

# 清理规则
clean:
	rm -f $(OBJS) $(TARGET)

# 打印文件列表
print:
	@echo "Source files: $(SRCS)"
	@echo "Object files: $(OBJS)"

# 伪目标
.PHONY: all clean print

2.3 变量

  • CC：指定编译器，通常为 gcc 或 g++。
  • CFLAGS：编译选项，如包含目录（-I）、警告（-Wall）、调试信息（-g）等。
  • SRCS：源文件列表，由 wildcard 函数生成。
  • OBJS：目标文件列表，由源文件列表通过模式替换生成。
  • TARGET：最终生成的可执行文件名。

2.4 规则说明

  • all 规则：

    all: $(TARGET)

    默认规则，生成目标文件 $(TARGET)。

  • $(TARGET) 规则：

    $(TARGET): $(OBJS)
    $(CC) -o $@ $^

    生成最终的可执行文件 $(TARGET)，依赖所有目标文件 $(OBJS)。

  • 模式规则：

    $(SRC_DIR)/%.o: $(SRC_DIR)/%.c
    $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

    通用规则，将 .c 文件编译为 .o 文件。$< 代表第一个依赖文件（即源文件），$@ 代表目标文件（即目标文件）。

  • clean 规则：

    clean:
    rm -f $(OBJS) $(TARGET)

    清理规则，删除生成的目标文件和可执行文件。

  • print 规则：

    print:
    @echo "Source files: $(SRCS)"
    @echo "Object files: $(OBJS)"

    打印文件列表，使用 @ 符号避免输出命令本身。

  • 伪目标：

    .PHONY: all clean print

    声明 all、clean 和 print 为伪目标，以避免与实际文件名发生冲突。伪目标用于告知 make 这些规则不生成文件，而是特殊的操作。因此，make 会忽略它们的时间戳，总是执行这些规则。

2.5 常用命令

  • make：

    make

    执行 Makefile 中的默认规则（通常为 all 规则）。

  • make clean：

    make clean

    执行 clean 规则，清理生成的文件。

  • make -f 其他Makefile文件：

    make -f other_makefile

    使用指定的 Makefile 文件进行构建。

3. CMake

CMake 是一个跨平台的构建系统，用于管理软件的编译过程。在大型项目中，手动管理编译配置非常繁琐，使用 CMake 可以简化这一过程。CMake 通过 CMakeLists.txt 文件定义项目的构建规则。

3.1 基本结构

一个基本的 CMakeLists.txt 的结构如下：

  • cmake_minimum_required：指定最低版本的 CMake。
  • project：定义项目名称。
  • set：设置编译选项和变量。
  • include_directories：包含目录。
  • add_executable：生成可执行文件。
  • add_library：生成库文件（可选）。
  • target_link_libraries：链接库文件（可选）。

3.2 示例

假设有以下项目结构：

project/
├── include/
│   └── myheader.h
├── src/
│   ├── main.cpp
│   ├── file1.cpp
│   ├── file2.cpp
├── CMakeLists.txt

CMakeLists.txt 内容如下：

# CMake 最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

# 项目信息
project(MyProject)

# 指定 C++ 标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

# 包含头文件目录
include_directories(include)

# 查找 src 目录下的所有源文件
file(GLOB SRCS "src/*.cpp")

# 生成可执行文件
add_executable(myprogram ${SRCS})

3.3 变量

  • CMAKE_CXX_STANDARD：指定 C++ 标准，如 11、14、17 等。
  • SRCS：源文件列表，由 file(GLOB) 函数生成。

3.4 命令说明

  • cmake_minimum_required：

    cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

    指定最低版本的 CMake。

  • project：

    project(MyProject)

    定义项目名称。

  • set：

    set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

    设置编译选项，这里指定使用 C++11 标准。

  • include_directories：

    include_directories(include)

    包含头文件目录。

  • file(GLOB)：

    file(GLOB SRCS "src/*.cpp")

    查找并设置源文件列表，GLOB 表示使用通配符匹配文件。

  • add_executable：

    add_executable(myprogram ${SRCS})

    生成可执行文件 myprogram，并指定源文件列表。

3.5 常用命令

  • 配置项目：

    cmake .

    在当前目录下生成构建文件。

  • 生成项目：

    make

    使用生成的构建文件进行编译。

  • 构建目录：

    mkdir build
cd build
cmake ..
make

    创建一个单独的构建目录，进行 out-of-source 构建，保持源代码目录整洁。

  • 清理项目：

    手动删除 build 目录或使用 make clean 命令（需在 CMakeLists.txt 中添加相应规则）。

  • 打印源文件列表：

    在调试时，可以添加 message 命令以打印源文件列表，确保它们被正确识别：

    message(STATUS "Source files: ${SRCS}")

4. GDB

GDB（GNU 调试器）是一个强大的调试工具，用于调试 C、C++ 和其他语言编写的程序。它可以在程序运行时设置断点、检查变量值、单步执行代码等，帮助开发者找到并修复错误。

4.1 基本命令

  • 启动 GDB：

    gdb program

    其中 program 是要调试的可执行文件。

  • 运行程序：

    run

    启动程序。如果程序需要参数，可以在 run 命令后添加，例如 run arg1 arg2。

  • 设置断点：

    break [file:]function
break [file:]line

    在指定函数或行设置断点。例如：

    break main
break myfile.c:10

  • 列出断点：

    info breakpoints

    显示当前设置的断点。

  • 删除断点：

    delete [breakpoint-number]

    删除指定编号的断点，如果不指定编号则删除所有断点。

  • 单步执行：

    step
next

    step 进入函数内部，next 跳过函数调用。

  • 继续运行：

    continue

    继续执行程序，直到遇到下一个断点。

  • 打印变量值：

    print variable

    打印变量的当前值。例如：

    print x

  • 查看调用栈：

    backtrace

    显示当前的函数调用栈。

  • 查看局部变量：

    info locals

    显示当前函数的局部变量。

4.2 示例

假设有以下 C 程序 example.c：

#include <stdio.h>

void function1() {
    int x = 10;
    printf("x = %d\n", x);
}

int main() {
    function1();
    return 0;
}

编译程序，并启用调试信息：

gcc -g -o example example.c

启动 GDB 并调试程序：

gdb example

在 GDB 中执行以下命令：

  1. 运行程序：

    run

  2. 设置断点：

    break function1

  3. 继续运行：

    continue

  4. 单步执行：

    step

  5. 打印变量值：

    print x

  6. 查看调用栈：

    backtrace

  7. 查看局部变量：

    info locals

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