gcc&gdb常规操作 静态库、动态库的创建和链接

GCC

GCC是Linux下的编译工具集，是GNU Compiler Collection的缩写，包含gcc g++等编译器

gcc工作流程

gcc编译器对程序的编译分为四个阶段：预处理（预编译）、编译、汇编、链接

• 预处理：展开头文件、宏替换、去注释

  gcc调用预处理器来完成，得到的还是文本格式的源文件

• 编译：gcc调用编译器进行编译，得到汇编文件

• 汇编：gcc调用汇编器进行汇编，得到二进制文件

• 链接：gcc调用链接器对程序所需要的库进行链接，得到可执行文件

文件名后缀	说明	gcc参数
.c	源文件	-
.i	预处理后的源文件	-E
.s	汇编文件	-S
.o	二进制文件	-c

• 演示

  # 预处理
  g++ -E filename.c -o filename.i
  # 编译
  g++ -S filename.i -o filename.s
  # 汇编
  g++ -c filename.s -o filename.o
  # 链接
  g++ filename.o -o filename
  # 运行  
  ./filename

gcc常用参数

gcc编译选项	选项的意义
-E	预处理
-S	编译
-c	汇编
-o	指定输出文件名
-I	指定include包含文件的搜索目录
-g	生成调试信息，该程序可被调试器调试
-D	在编译时指定一个宏
-w	不生成任何警告信息
-Wall	生成所有警告信息
On	0~3，四个优化选项-O3优化级别最高
-l	编译时指定使用的库
-L	指定编译时搜索库的路径
-fPic	生成与位置无关的代码
-shared	生成共享库
-std	指定C标准

多文件编译

gcc可以自动编译链接多个文件，不管是目标文件还是源文件，都可以使用一个命令编译到一个可执行文件中

假设有string.c string.h main.c三个文件

因为有文件是包含在源文件中的，因此在使用gcc编译程序的时候不需要指定头文件的名字

（在头文件无法被找到的时候需要使用参数 -I 指定其具体路径而不是名字）

• 直接链接生成可执行程序

  gcc -o res string.c main.c
  ./res

• 先将源文件编成目标文件，然后进行链接得到可执行程序

  gcc -c string.c main.c
  gcc -o res string.o main.o
  ./res

gcc与g++

gcc g++的一些区别

在代码编译阶段

• 后缀为.c的，gcc 把它当作是 C 程序，而 g++ 当作是 C++ 程序
• 后缀为.cpp的，两者都会认为是 C++ 程序，C++ 的语法规则更加严谨一些
• g++ 会调用 gcc，对于 C++ 代码，两者是等价的，也就是说 gcc 和 g++ 都可以编译 C/C++ 代码

在链接阶段

• gcc 和 g++ 都可以自动链接到标准 C 库
• g++ 可以自动链接到标准 C++ 库，gcc 如果要链接到标准 C++ 库需要加参数 -lstdc++

关于__cplusplus宏的定义

• g++ 会自动定义__cplusplus宏，但是这个不影响它去编译 C 程序
• gcc 需要根据文件后缀判断是否需要定义__cplusplus宏

• 不管是gcc还是g++都可以编译C程序，编译程序的规则和参数都相同
• g++可以直接编译C++程序，gcc编译C++程序需要添加额外参数-lstdc++
• 不管是gcc还是g++都可以定义__cplusplus宏

静态库和动态库

不管是在Linux还是Windows中的库文件其本质和工作模式都是相同的

程序中调用的库包括静态库 动态库两种

在项目中使用库一般有两个目的，一个是为了使程序更加简洁不需要在项目中维护太多的源文件，另一方面是为了源代码保密。当我们拿到了库文件，还需要库中API的声明，也就是头文件。

静态库

在Linux下静态库由程序ar生成

• Linux中静态库以lib作为前缀，以.a作为后缀，中间是库的名字，即libxxx.a
• Windows中静态库一般以lib作为前缀，lib作为后缀，中间是库的名字，即libxxx.lib

生成静态链接库

生成静态库，需要先对源文件进行汇编操作（使用参数-c）得到二进制格式的目标文件（.o格式）

然后通过ar工具将目标文件打包就可以得到静态库文件

• c：创建一个库，不管库是否存在都创建
• s：创建目标文件索引，这在创建较大的库时能加快时间
• r：在库中插入模块，默认新的成员添加在库的结尾处，如果模块名已经存在库中，则替换同名的模块

生成静态链接库的具体步骤如下

• 对源文件进行汇编，得到二进制文件

  gcc <src(*.c)> -c

• 对二进制文件打包，得到静态库

  ar rcs <libname.a> <bin(*.o)>

• 发布静态库

  # 提供头文件和libxxx.a

静态库的使用

拿到发布的静态库 head.h libcalc.a

将静态库、头文件、测试程序放在同一目录下进行测试

gcc main.c -o app -L <path> -l<lib>		# 编译测试程序

动态库

动态库是程序运行时加载的库，当动态库正确部署之后，运行的多个程序可以使用同一个加载到内存中的动态库

动态链接库是目标文件的集合，目标文件在动态链接库中的组织方式是按照特殊方式形成的。库中函数和变量的

地址使用的是相对地址（静态库中使用的是绝对地址），其真实地址是在程序加载动态库时形成的

• 在Linux中动态库以lib作为前缀，以so作为后缀，中间为库名，即libxxx.so
• 在Windows中动态库一般以lib作为前缀，以dll作为后缀，中间为库名，即libxxx.dll

生成动态链接库

生成动态链接库是直接使用gcc命令并且需要添加-fPic和-shared参数

• -fPic参数是使得gcc生成的代码是与位置无关的，也就是相对位置
• -shared是告诉编译器生成一个动态链接库

生成动态链接库的具体步骤如下

• 对源文件进行汇编，需要-c和-fPic参数

  gcc <src(*.c)> -c -fpic

• 将得到的.o打包成动态库，使用gcc加-shared参数

  gcc -shared <bin(*.o)> -o <libname.so>

• 发布动态库和头文件

  # 提供头文件和libxxx.so

动态链接库使用

拿到发布的动态库和头文件

gcc main.c -o app -L <path> -l<lib>

解决动态链接库无法加载问题

库的工作原理

• 静态库如何被加载

  在程序编译的最后一个阶段也就是链接阶段，提供的静态库会被打包到可执行程序中。当可执行程序被执行

  静态库中的代码也会一并被加载到内存中，因此不会出现静态库找不到无法被加载的问题

• 动态库如何被加载

  • 在程序链接阶段

    在gcc命令虽然指定了库路径（-L），但是这个路径并没有记录到可执行程序，只是检查了这个路

    径下的库文件是否存在

    同样对应的动态库文件也没有被打包到可执行程序中，只是在可执行程序中记录了库的名字

  • 在程序执行后

    程序执行的时候会先检测需要的动态库是否可以被加载，加载不到就会提示上边的错误信息

    当动态库中的函数在程序中被调用了，这个时候动态库才被加载到内存，如果不被调用就不加载

    动态库的检测和内存加载操作都是由动态连接器来完成的

动态链接器

动态链接器是一个独立于应用程序的进程，属于操作系统，当用户的程序需要加载动态库的时候动态链接器就开始

工作，显然动态链接器根本就不知道用户通过gcc编译程序的时候通过-L参数指定的路径

那么动态链接器是如何搜索某一个动态库的呢，在它内部有一个默认的搜索顺序，按照优先级从高到低的顺序

1. 可执行文件内部的DT_RPATH段
2. 系统的环境变量LD_LIBRARY_PATH
3. 系统动态库的缓存文件/etc/ld.so.cache
4. 存储动态库、静态库的系统目录/lib/ /usr/lib等

如果按照上面的顺序一次搜索后仍没找到，动态链接器就会提示动态库找不到的错误信息

解决方案

• 方案一、将库路径添加到环境变量LD_LIBRARY_PATH中

  1. 找到相关配置文件

     用户级别：~/.bashrc对当前用户有效

     系统级别：/etc/profile对所有用户有效

  2. 修改配置文件

     export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:<path>

  3. 使配置文件生效

     source ~/.bashrc
     source /etc/profile

• 方案二、更新/etc/ld.so.cache文件

  1. 找到动态库的绝对路径

  2. 修改/etc/ls.so.conf文件，将上面路径加到文件中

  3. 更新/etc/ld.so.conf中的数据到/etc/ls.so.cache中

     sudo ldconfig

• 方案三、拷贝动态库到系统库目录/lib或者/usr/lib中（或将库的软链接文件放进去）

  # 库拷贝
  sudo cp <path>/libxxx.so /usr/lib
  # 创建软链接
  sudo ln -s <path>/libxxx.so /usr/lib/libxxx.so
  # 注意必须使用绝对路经

验证

ldd <exec>

优缺点

静态库

• 优点
  • 静态库被打包到应用程序中加载速度很快
  • 发布程序无需提供静态库，移植方便
• 缺点
  • 相同的库文件数据可能在内存中被加载多份，消耗系统资源，浪费内存
  • 库文件更新需要重新编译项目，生成新的可执行程序，浪费时间

动态库

• 优点
  • 可实现不同进程间的资源共享
  • 动态库升级简单，只需要替换库文件，无需重新编译应用程序
  • 可以控制何时加载动态库，不调用库函数动态库不会被加载
• 缺点
  • 加载速度比静态库慢，现在计算机性能可以忽略
  • 发布程序需要提供依赖的动态库

GDB

gdb是由GNU软件系统社区提供的调试器，同gcc配套组成完整的开发环境

gdb是一套字符界面的程序集，可以使用命令gdb加载要调试的程序

调试准备

项目程序如果为了进行调试而编译时，必须打开调试选项（-g）

此外，尽量不要使用编译器优化选项（-On）

-Wall打开所有waring

启动和退出gdb

启动gdb

gdb <exec>

命令行传参

如果程序在启动时需要传递命令行参数，如果要调试这类程序，这些命令行参数必须要在应用程序启动之前通过调试

程序的gdb进程传递进去

gcc <src> -o -g <exec>
gdb app
(gdb) set args <...>

gdb中启动程序

在gdb中启动要调试的应用程序有两种方式，一种是使用run，另一种是使用start

• run：可以缩写为r，如果程序设置了断点会停在第一个断点的位置，如果没有设置断点，程序执行完
• start：启动程序，最终会阻塞在main函数的第一行，等待输入后续其它gdb指令

如果想让程序start之后继续执行，或者在断点处继续执行，可以使用continue命令，简写为c

退出gdb

退出gdb调试，就是终止gdb进程，需要使用quit命令，简写为q

查看代码

gdb调试没有IDE那样完善的可视化窗口，给调试的程序打断点又是调试之前必须要做的一项工作

因此，gdb提供了查看代码的命令，可以轻松定位要调试代码行的位置

• list，简写为l，通过这个命令我们可以查看项目中任意一个文件中的内容

当前文件

一般项目中有多个源文件，默认情况下通过list查看代码信息位于程序入口函数main对应的那个文件

如果不进行文件切换，main函数所在文件就是当前文件

(gdb) list
(gdb) list <lines>		# 从指定行显示代码
(gdb) list <func>		# 显示该函数上下文

切换文件

(gdb) list <file>:<lines>	# 切换到指定文件并显示该行上下文
(gdb) list <file>:<func>	# 切换到指定文件并显示该函数上下行

设置显示的行数

默认list只能一次查看10行代码，如果想显示更多，可以通过set listsize来设置

同样你如果想查看当前显示的行数可以使用show listsize来查看，这里的listsize可以简写为list

(gdb) set listsize n
(gdb) show listsize

断点操作

想要通过gdb调试某一行或者得到某个变量在运行状态下的实际值，就需要在这一行设置断点

程序指定到断点的位置就会阻塞，我们可以通过gdb的调试命令得到我们想要的信息

• break简写为b，设置断点

设置断点

两种断点：常规断点（程序运行到这个位置就会被阻塞），条件断点（指定条件被满足才会在断点处阻塞）

• 设置普通断点到当前文件

  # break == b
  (gdb) b <lines>		# 断点打在该行
  (gdb) b <func>		# 断点打在该函数首行

• 设置普通断点到某个非当前文件上

  (gdb) b <file>:<lines>
  (gdb) b <file>:<func>

• 设置条件断点

  (gdb) b <lines> if <var>==<val>
  # 通常情况下，在循环中条件断点用的比较多

查看断点

断点设置完毕之后，可以通过info break命令查看设置的断点信息，其中info可简写为i

# info == i
(gdb) i b

在显示的断点信息中有一些属性需要在其他操作中被使用

• Num：断点的编号，删除断点或者设置断点状态的时候都需要使用
• Enb：当前断点的状态，y表示断点可用，n表示断点不可用
• What：描述断点被设置在了哪个文件的哪一行或者哪个函数上

删除断点

确定设置的某个断点不再使用了，可将其删除，删除命令是delete Num，delete可用简写为del d

删除断点的方式有两种：删除一个或多个指定断点，删除一个连续的断点区间

# delete == del == d
(gdb) d Num1 Num2 ...		# 删除一个或多个指定断点
(gdb) d Num1-Num2			# 删除一个连续区间

设置断点状态

如果某个断点只是临时不需要了，可以将其设置为不可用状态，命令为disable Num

使用enable Num可在需要时重新将其设置回可用状态，简写为dis

# disable == dis
(gdb) dis Num1 Num2 ...
(gdb) dis Num1-Num2

# enable == ena
(gdb) ena Num1 Num2 ...
(gdb) ena Num1-Num2

调试命令

继续运行gdb

# continue == c
(gdb) continue

手动打印信息

打印变量值

# print == p
(gdb) p 变量名
(gdb) p /fmt 变量名

格式化字符(/fmt)	说明
/x	以十六进制形式打印整数
/d	以有符号，十进制形式打印整数
/u	以无符号，十进制形式打印整数
/o	以八进制形式打印整数
/t	以二进制形式打印整数
/f	以浮点数形式打印变量或表达式值
/c	以字符形式打印变量或表达式的值

打印变量类型

如果在调试1过程中需要查看某个变量的类型，可以使用ptype

(gdb) ptype 变量名

自动打印信息

设置变量名自动显示

当我们想频繁查看某个变量或表达式的值，使用display

(gdb) display 变量名
(gdb) display /fmt 变量名

查看自动显示列表

(gdb) info display

• Num：变量或表达式的编号，gdb调试器为每个变量或表达式都分配有唯一的编号
• Enb：表示当前变量（表达式）是处于激活还是禁用状态，y激活，n禁用
• Expression：被自动打印值的变量或表达式的名字

取消自动显示

对于不需要再打印的变量或表达式，可以将其删除或禁用

• 删除自动显示列表中的变量或表达式

  (gdb) undisplay num1 num2 ...
  (gdb) undisplay num1-num2
  
  (gdb) delete display num1 num2 ...
  (gdb) delete display num1-num2

• 禁用自动显示列表中处于未激活状态下的变量或表达式

  (gdb) enable display num1 num2 ...
  (gdb) display num1-num2

单步调试

step

• step s命令执行一次，代码向下执行一次

# step == s
(gdb) step

finish

• finish如果单步s跳入函数，通过finish跳出函数体

(gdb) finish

next

• next n单步，但是不会进入函数体

# next == n
(gdb) next

until

• until可直接跳出循环体，满足跳出循环内部不能有断点，必须在循环体的开始和结束行执行该命令

(gdb) until

设置变量值

直接更改某个特殊变量的值 set var 变量名=值

(gdb) set var 变量名=值