c语言的编译与调试

1. GCC/G++

gccg++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
    

    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.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/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 gccg++
  • 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 allcleanprint 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 111417 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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