電腦店訊 Linux的發行版中包含了很多軟件開發工具. 它們中的很多是用於C 和C++應用程序開發的. 本文介紹了在Linux 下能用於C 應用程序開發和調試的工具. 本文的主旨是介紹如何在Linux 下使用C 編譯器和其他C 編程工具, 而非C 語言編程的教程.
GNU C 編譯器
GNU C 編譯器(GCC)是一個全功能的ANSI C 兼容編譯器. 如果你熟悉其他操作系統或硬件平台上的一種C 編譯器, 你將能很快地掌握GCC. 本節將介紹如何使用GCC 和一些GCC 編譯器最常用的選項.
使用GCC
通常後跟一些選項和文件名來使用GCC 編譯器. gcc 命令的基本用法如下:
gcc [options] [filenames]
命令行選項指定的操作將在命令行上每個給出的文件上執行. 下一小節將敘述一些你會最常用到的選項.
GCC 選項
GCC 有超過100個的編譯選項可用. 這些選項中的許多你可能永遠都不會用到, 但一些主要的選項將會頻繁用到. 很多的GCC 選項包括一個以上的字符. 因此你必須為每個選項指定各自的連字符, 並且就象大多數Linux 命令一樣你不能在一個單獨的連字符後跟一組選項. 例如, 下面的兩個命令是不同的:
gcc -p -g test.c
gcc -pg test.c
第一條命令告訴GCC 編譯test.c 時為prof 命令建立剖析(profile)信息並且把調試信息加入到可執行的文件裡. 第二條命令只告訴GCC 為gprof 命令建立剖析信息.
當你不用任何選項編譯一個程序時, GCC 將會建立(假定編譯成功)一個名為a.out 的可執行文件. 例如, 下面的命令將在當前目錄下產生一個叫a.out 的文件:
gcc test.c
你能用-o 編譯選項來為將產生的可執行文件指定一個文件名來代替a.out. 例如, 將一個叫count.c 的C 程序編譯為名叫count 的可執行文件, 你將輸入下面的命令:
gcc -o count count.c
注意: 當你使用-o 選項時, -o 後面必須跟一個文件名.
GCC 同樣有指定編譯器處理多少的編譯選項. -c 選項告訴GCC 僅把源代碼編譯為目標代碼而跳過匯編和連接的步驟. 這個選項使用的非常頻繁因為它使得編譯多個C 程序時速度更快並且更易於管理. 缺省時GCC 建立的目標代碼文件有一個.o 的擴展名.
-S 編譯選項告訴GCC 在為C 代碼產生了匯編語言文件後停止編譯. GCC 產生的匯編語言文件的缺省擴展名是.s . -E 選項指示編譯器僅對輸入文件進行預處理. 當這個選項被使用時, 預處理器的輸出被送到標准輸出而不是儲存在文件裡.
優化選項
當你用GCC 編譯C 代碼時, 它會試著用最少的時間完成編譯並且使編譯後的代碼易於調試. 易於調試意味著編譯後的代碼與源代碼有同樣的執行次序, 編譯後的代碼沒有經過優化. 有很多選項可用於告訴GCC 在耗費更多編譯時間和犧牲易調試性的基礎上產生更小更快的可執行文件. 這些選項中最典型的是-O 和-O2 選項.
-O 選項告訴GCC 對源代碼進行基本優化. 這些優化在大多數情況下都會使程序執行的更快. -O2 選項告訴GCC 產生盡可能小和盡可能快的代碼. -O2 選項將使編譯的速度比使用-O 時慢. 但通常產生的代碼執行速度會更快.
除了-O 和-O2 優化選項外, 還有一些低級選項用於產生更快的代碼. 這些選項非常的特殊, 而且最好只有當你完全理解這些選項將會對編譯後的代碼產生什麼樣的效果時再去使用. 這些選項的詳細描述, 請參考GCC 的指南頁, 在命令行上鍵入man gcc .
調試和剖析選項
GCC 支持數種調試和剖析選項. 在這些選項裡你會最常用到的是-g 和-pg 選項.
-g 選項告訴GCC 產生能被GNU 調試器使用的調試信息以便調試你的程序. GCC 提供了一個很多其他C 編譯器裡沒有的特性, 在GCC 裡你能使-g 和-O (產生優化代碼)聯用. 這一點非常有用因為你能在與最終產品盡可能相近的情況下調試你的代碼. 在你同時使用這兩個選項時你必須清楚你所寫的某些代碼已經在優化時被GCC 作了改動. 關於調試C 程序的更多信息請看下一節"用gdb 調試C 程序" .
-pg 選項告訴GCC 在你的程序裡加入額外的代碼, 執行時, 產生gprof 用的剖析信息以顯示你的程序的耗時情況. 關於gprof 的更多信息請參考"gprof" 一節.
用gdb 調試GCC 程序
Linux 包含了一個叫gdb 的GNU 調試程序. gdb 是一個用來調試C 和C++ 程序的強力調試器. 它使你能在程序運行時觀察程序的內部結構和內存的使用情況. 以下是gdb 所提供的一些功能:
它使你能監視你程序中變量的值.
它使你能設置斷點以使程序在指定的代碼行上停止執行.
它使你能一行行的執行你的代碼.
在命令行上鍵入gdb 並按回車鍵就可以運行gdb 了, 如果一切正常的話, gdb 將被啟動並且你將在屏幕上看到類似的內容:
GNU gdb 5.0
Copyright 2000 Free Software Foundation, Inc.
GDB is free software, covered by the GNU General Public License, and you are
welcome to change it and/or distribute copies of it under certain conditions.
Type "show copying" to see the conditions.
There is absolutely no warranty for GDB. Type "show warranty" for details.
This GDB was configured as "i386-redhat-linux".
(gdb)
當你啟動gdb 後, 你能在命令行上指定很多的選項. 你也可以以下面的方式來運行gdb :
gdb
當你用這種方式運行gdb , 你能直接指定想要調試的程序. 這將告訴gdb 裝入名為fname 的可執行文件. 你也可以用gdb 去檢查一個因程序異常終止而產生的core 文件, 或者與一個正在運行的程序相連. 你可以參考gdb 指南頁或在命令行上鍵入gdb -h 得到一個有關這些選項的說明的簡單列表.
為調試編譯代碼(Compiling Code for Debugging)
為了使gdb 正常工作, 你必須使你的程序在編譯時包含調試信息. 調試信息包含你程序裡的每個變量的類型和在可執行文件裡的地址映射以及源代碼的行號. gdb 利用這些信息使源代碼和機器碼相關聯.
在編譯時用-g 選項打開調試選項.
gdb 基本命令
gdb 支持很多的命令使你能實現不同的功能. 這些命令從簡單的文件裝入到允許你檢查所調用的堆棧內容的復雜命令, 表27.1列出了你在用gdb 調試時會用到的一些命令. 想了解gdb 的詳細使用請參考gdb 的指南頁.
基本gdb 命令.
命令描述
file 裝入想要調試的可執行文件.
kill 終止正在調試的程序.
list 列出產生執行文件的源代碼的一部分.
next 執行一行源代碼但不進入函數內部.
step 執行一行源代碼而且進入函數內部.
run 執行當前被調試的程序
quit 終止gdb
watch 使你能監視一個變量的值而不管它何時被改變.
print 顯示表達式的值
break 在代碼裡設置斷點, 這將使程序執行到這裡時被掛起.
make 使你能不退出gdb 就可以重新產生可執行文件.
shell 使你能不離開gdb 就執行UNIX shell 命令.
gdb 支持很多與UNIX shell 程序一樣的命令編輯特征. 你能象在bash 或tcsh裡那樣按Tab 鍵讓gdb 幫你補齊一個唯一的命令, 如果不唯一的話gdb 會列出所有匹配的命令. 你也能用光標鍵上下翻動歷史命令.
gdb 應用舉例
本節用一個實例教你一步步的用gdb 調試程序. 被調試的程序相當的簡單, 但它展示了gdb 的典型應用.
下面列出了將被調試的程序. 這個程序被稱為hello , 它顯示一個簡單的問候, 再用反序將它列出.
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
}
void my_print (char *string)
{
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i;
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++)
string2[size - i] = string[i];
string2[size+1] = '';
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
用下面的命令編譯它:
gcc -g -o hello hello.c
這個程序執行時顯示如下結果:
./hello
The string is hello world!
The string printed backward is
輸出的第一行是正確的, 但第二行打印出的東西並不是我們所期望的. 我們所設想的輸出應該是:
The string printed backward is !dlrow olleh
由於某些原因, my_print2 函數沒有正常工作. 讓我們用gdb 看看問題究竟出在哪兒, 先鍵入如下命令:
gdb hello
注意: 記得在編譯hello 程序時把調試選項打開.
如果你在輸入命令時忘了把要調試的程序作為參數傳給gdb , 你可以在gdb 提示符下用file 命令來載入它:
(gdb) file hello
這個命令將載入hello 可執行文件就象你在gdb 命令行裡裝入它一樣.
這時你能用gdb 的run 命令來運行hello 了. 當它在gdb 裡被運行後結果大約會象這樣:
(gdb) run
Starting program: /root/hello
The string is hello world!
The string printed backward is
Program exited with code 040
這個輸出和在gdb 外面運行的結果一樣. 問題是, 為什麼反序打印沒有工作? 為了找出症結所在, 我們可以在my_print2 函數的for 語句後設一個斷點, 具體的做法是在gdb 提示符下鍵入list 命令三次, 列出源代碼:
(gdb) list
(gdb) list
(gdb) list
技巧: 在gdb 提示符下按回車健將重復上一個命令.
第一次鍵入list 命令的輸出如下:
1 #include
2
3 static void my_print (char *);
4 static void my_print2 (char *);
5
6 main ()
7 {
8 char my_string[] = "hello world!";
9 my_print (my_string);
10 my_print2 (my_string);
如果按下回車, gdb 將再執行一次list 命令, 給出下列輸出:
11 }
12
13 void my_print (char *string)
14 {
15 printf ("The string is %s ", string);
16 }
17
18 void my_print2 (char *string)
19 {
20 char *string2;
再按一次回車將列出hello 程序的剩余部分:
21 int size, i;
22
23 size = strlen (string);
24 string2 = (char *) malloc (size + 1);
25 for (i = 0; i < size; i++)
26 string2[size - i] = string[i];
27 string2[size+1] = '';
28
29 printf ("The string printed backward is %s ", string2);
30 }
根據列出的源程序, 你能看到要設斷點的地方在第26行, 在gdb 命令行提示符下鍵入如下命令設置斷點:
(gdb) break 26
gdb 將作出如下的響應:
Breakpoint 1 at 0x804857c: file hello.c, line 26.
(gdb)
現在再鍵入run 命令, 將產生如下的輸出:
Starting program: /root/hello
The string is hello world!
Breakpoint 1, my_print2 (string=0xbffffab0 "hello world!") at hello.c:26
26 string2[size - i] = string[i];
你能通過設置一個觀察string2[size - i] 變量的值的觀察點來看出錯誤是怎樣產生的, 做法是鍵入:
(gdb) watch string2[size - i]
gdb 將作出如下回應:
Hardware watchpoint 2: string2[size - i]
現在可以用next 命令來一步步的執行for 循環了:
(gdb) next
經過第一次循環後, gdb 告訴我們string2[size - i] 的值是`h`. gdb 用如下的顯示來告訴你這個信息:
Hardware watchpoint 2: string2[size - i]
Old value = 0 '00'
New value = 104 'h'
my_print2 (string=0xbffffab0 "hello world!") at hello.c:25
25 for (i = 0; i < size; i++)
這個值正是期望的. 後來的數次循環的結果都是正確的. 當i=11 時, 表達式string2[size - i] 的值等於`!`, size - i 的值等於1, 最後一個字符已經拷到新串裡了.
如果你再把循環執行下去, 你會看到已經沒有值分配給string2[0] 了, 而它是新串的第一個字符, 因為malloc 函數在分配內存時把它們初始化為空(null)字符. 所以string2 的第一個字符是空字符. 這解釋了為什麼在打印string2 時沒有任何輸出了.
現在找出了問題出在哪裡, 修正這個錯誤是很容易的. 你得把代碼裡寫入string2 的第一個字符的的偏移量改為size - 1 而不是size. 這是因為string2 的大小為12, 但起始偏移量是0, 串內的字符從偏移量0 到偏移量10, 偏移量11 為空字符保留.
改正方法非常簡單. 這是這種解決辦法的代碼:
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
}
void my_print (char *string)
{
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i;
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++)
string2[size -1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
如果程序產生了core文件，可以用gdb hello core命令來查看程序在何處出錯。如在函數my_print2()中，如果忘記了給string2分配內存string2 = (char *) malloc (size + 1);，很可能就會core dump.
另外的C 編程工具
xxgdb
xxgdb 是gdb 的一個基於X Window 系統的圖形界面. xxgdb 包括了命令行版的gdb 上的所有特性. xxgdb 使你能通過按按鈕來執行常用的命令. 設置了斷點的地方也用圖形來顯示.
你能在一個Xterm 窗口裡鍵入下面的命令來運行它:
xxgdb
你能用gdb 裡任何有效的命令行選項來初始化xxgdb . 此外xxgdb 也有一些特有的命令行選項, 表27.2 列出了這些選項.
表27.2. xxgdb 命令行選項.
選項描述
db_name 指定所用調試器的名字, 缺省是gdb.
db_prompt 指定調試器提示符, 缺省為gdb.
gdbinit 指定初始化gdb 的命令文件的文件名, 缺省為.gdbinit.
nx 告訴xxgdb 不執行.gdbinit 文件.
bigicon 使用大圖標.
calls
你可以在sunsite.unc.edu FTP 站點用下面的路徑:
/pub/Linux/devel/lang/c/calls.tar.Z
來取得calls , 一些舊版本的Linux CD-ROM 發行版裡也附帶有. 因為它是一個有用的工具, 我們在這裡也介紹一下. 如果你覺得有用的話, 從BBS, FTP, 或另一張CD-ROM 上弄一個拷貝. calls 調用GCC 的預處理器來處理給出的源程序文件, 然後輸出這些文件的裡的函數調用樹圖.
注意: 在你的系統上安裝calls , 以超級用戶身份登錄後執行下面的步驟: 1. 解壓和untar 文件. 2. cd 進入calls untar 後建立的子目錄. 3. 把名叫calls 的文件移動到/usr/bin 目錄. 4. 把名叫calls.1 的文件移動到目錄/usr/man/man1 . 5. 刪除/tmp/calls 目錄. 這些步驟將把calls 程序和它的指南頁安裝載你的系統上.
當calls 打印出調用跟蹤結果時, 它在函數後面用中括號給出了函數所在文件的文件名:
main [hello.c]
如果函數並不是向calls 給出的文件裡的, calls 不知道所調用的函數來自哪裡, 則只顯示函數的名字:
printf
calls 不對遞歸和靜態函數輸出. 遞歸函數顯示成下面的樣子:
fact <<< recursive in factorial.c >>>
靜態函數象這樣顯示:
total [static in calculate.c]
作為一個例子, 假設用calls 處理下面的程序:
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
my_print (my_string);
}
void count_sum()
{
int i,sum=0;
for(i=0; i<1000000; i++)
sum += i;
}
void my_print (char *string)
{
count_sum();
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i,sum =0;
count_sum();
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++) string2[size -1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
for(i=0; i<5000000; i++)
sum += i;
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
將產生如下的輸出:
1 __underflow [hello.c]
2 main
3 my_print [hello.c]
4 count_sum [hello.c]
5 printf
6 my_print2 [hello.c]
7 count_sum
8 strlen
9 malloc
10 printf
calls 有很多命令行選項來設置不同的輸出格式, 有關這些選項的更多信息請參考calls 的指南頁. 方法是在命令行上鍵入calls -h .
calltree
calltree與calls類似，初了輸出函數調用樹圖外，還有其它詳細的信息。
可以從sunsite.unc.edu FTP 站點用下面的路徑:/pub/Linux/devel/lang/c/calltree.tar.gz得到calltree.
cproto
cproto 讀入C 源程序文件並自動為每個函數產生原型申明. 用cproto 可以在寫程序時為你節省大量用來定義函數原型的時間.
如果你讓cproto 處理下面的代碼(cproto hello.c):
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
}
void my_print (char *string)
{
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i;
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++)
string2[size -1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
你將得到下面的輸出:
/* hello.c */
int main(void);
int my_print(char *string);
int my_print2(char *string);
這個輸出可以重定向到一個定義函數原型的包含文件裡.
indent
indent 實用程序是Linux 裡包含的另一個編程實用工具. 這個工具簡單的說就為你的代碼產生美觀的縮進的格式. indent 也有很多選項來指定如何格式化你的源代碼.這些選項的更多信息請看indent 的指南頁, 在命令行上鍵入indent -h .
下面的例子是indent 的缺省輸出:
運行indent 以前的C 代碼:
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
}
void my_print (char *string)
{
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2; int size, i;
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++) string2[size -1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
運行indent 後的C 代碼:
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
}
void
my_print (char *string)
{
printf ("The string is %s ", string);
}
void
my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i;
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++)
string2[size - 1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
indent 並不改變代碼的實質內容, 而只是改變代碼的外觀. 使它變得更可讀, 這永遠是一件好事.
gprof
gprof 是安裝在你的Linux 系統的/usr/bin 目錄下的一個程序. 它使你能剖析你的程序從而知道程序的哪一個部分在執行時最費時間.
gprof 將告訴你程序裡每個函數被調用的次數和每個函數執行時所占時間的百分比. 你如果想提高你的程序性能的話這些信息非常有用.
為了在你的程序上使用gprof, 你必須在編譯程序時加上-pg 選項. 這將使程序在每次執行時產生一個叫gmon.out 的文件. gprof 用這個文件產生剖析信息.
在你運行了你的程序並產生了gmon.out 文件後你能用下面的命令獲得剖析信息:
gprof
參數program_name 是產生gmon.out 文件的程序的名字.
為了說明問題，在程序中增加了函數count_sum()以消耗CPU時間，程序如下
#include
static void my_print (char *);
static void my_print2 (char *);
main ()
{
char my_string[] = "hello world!";
my_print (my_string);
my_print2 (my_string);
my_print (my_string);
}
void count_sum()
{
int i,sum=0;
for(i=0; i<1000000; i++)
sum += i;
}
void my_print (char *string)
{
count_sum();
printf ("The string is %s ", string);
}
void my_print2 (char *string)
{
char *string2;
int size, i,sum =0;
count_sum();
size = strlen (string);
string2 = (char *) malloc (size + 1);
for (i = 0; i < size; i++) string2[size -1 - i] = string[i];
string2[size] = '';
for(i=0; i<5000000; i++)
sum += i;
printf ("The string printed backward is %s ", string2);
}
$ gcc -pg -o hello hello.c
$ ./hello
$ gprof hello | more
將產生以下的輸出
Flat profile:
Each sample counts as 0.01 seconds.
% cumulative self self total
time seconds seconds calls us/call us/call name
69.23 0.09 0.09 1 90000.00 103333.33 my_print2
30.77 0.13 0.04 3 13333.33 13333.33 count_sum
0.00 0.13 0.00 2 0.00 13333.33 my_print
% 執行此函數所占用的時間占程序總
time 執行時間的百分比
cumulative 累計秒數執行此函數花費的時間
seconds （包括此函數調用其它函數花費的時間）
self 執行此函數花費的時間
seconds （調用其它函數花費的時間不計算在內）
calls 調用次數
self 每此執行此函數花費的微秒時間
us/call
total 每此執行此函數加上它調用其它函數
us/call 花費的微秒時間
name 函數名
由以上數據可以看出，執行my_print()函數本身沒花費什麼時間，但是它又調用了count_sum()函數，所以累計秒數為0.13.
技巧: gprof 產生的剖析數據很大, 如果你想檢查這些數據的話最好把輸出重定向到一個文件裡.
