Unix 环境高级编程（一）：开发环境

• 一、Unix操作系统
• 二、Linux操作系统
• 三、GNU编译工具（GCC）
• • 1、简介
  • 2、基本用法
  • 3、文件后缀
  • 4、构建过程
  • 5、预处理指令
  • 6、预定义宏
  • 7、环境变量
• 四、静态库
• • 1、简介
  • 2、创建静态库
  • 3、ar 指令
  • 4、调用静态库
• 五、共享库
• • 1、简介
  • 2、创建共享库
  • 3、调用共享库
  • 3、运行
• 六、动态加载共享库
• • 1、头文件
  • 2、加载共享库
  • 3、获取函数地址
  • 4、卸载共享库
  • 5、 获取错误信息
• 七、辅助工具

一、Unix操作系统

二、Linux操作系统

三、GNU编译工具（GCC）

1、简介

  GCC是以GPL许可证所发行的自由软件，也是GNU计划的关键部分。GCC的初衷是为GNU操作系统专门编写一款编译器，现已被大多数类Unix操作系统（如Linux、BSD、MacOS X等）采纳为标准的编译器，甚至在微软的Windows上也可以使用GCC。GCC支持多种计算机体系结构芯片，如x86、ARM、MIPS等，并已被移植到其他多种硬件平台。

  GCC原名为GNU C语言编译器（GNU C Compiler），只能处理C语言。但其很快扩展，变得可处理C++，后来又扩展为能够支持更多编程语言，如Fortran、Pascal、Objective -C、Java、Ada、Go以及各类处理器架构上的汇编语言等，所以改名GNU编译器套件（GNU Compiler Collection）。

2、基本用法

gcc [options] [filenames] /* GCC最基本的用法是∶gcc [options] [filenames] * 其中 options 就是编译器所需要的参数* filenames 给出相关的文件名称* */-c /* 只编译，不链接成为可执行文件，* 编译器只是由输入的.c等源代码文件生成.o为后缀的目标文件，* 通常用于编译不包含主程序的子程序文件 * */-o /* output_filename，确定输出文件的名称为output_filename，* 同时这个名称不能和源文件同名。* 如果不给出这个选项，gcc就给出预设的可执行文件a.out * */-x /* 设定文件所使用的语言, 使后缀名无效, 对以后的多个有效* 根据约定 C 语言的后缀名称是 .c 的，* 而 C++ 的后缀名是 .C 或者 .cpp, * 如果你很个性，决定你的 C 代码文件的后缀名是 .pig ，* 那你就要用这个参数, 这个参数对他后面的文件名都起作用，* 除非到了下一个参数的使用* */-I /* Idirname，* 将dirname所指出的目录加入到程序头文件目录列表中，* 是在预编译过程中使用的参数 * */-E /* 只激活预处理,这个不生成文件, * 你需要把它重定向到一个输出文件里面 * */-S /* 只激活预处理和编译，就是指把文件编译成为汇编代码 */-g /* 产生符号调试工具（GNU的gdb）所必要的符号资讯，* 要想对源代码进行调试，我们就必须加入这个选项* */-O /* 对程序进行优化编译、链接，* 采用这个选项，整个源代码会在编译、链接过程中进行优化处理，* 这样产生的可执行文件的执行效率可以提高，* 但是，编译、链接的速度就相应地要慢一些 * */-v /* gcc执行时执行的详细过程，gcc及其相关程序的版本号 */-pedantic /* 对不符合ANSI/ISO C语言标准的扩展语法产生警告 */-Wall /* 产生尽可能多的警告 */-Werror /* 将警告作为错误处理 */

3、文件后缀

.c/* C语言源代码文件 */.h/* 程序所包含的头文件 */.i/* 预处理后的C语言源代码文件 */.s/* 汇编语言文件 */.S/* 经过预编译的汇编语言源代码文件 */.o/* 编译后的目标文件 */.a/* 静态库文件 */.so/* 共享库(动态库)文件 */

4、构建过程

编辑 -> 预编译（预处理）-> 编译 -> 汇编 -> 链接

编辑（hello.c）

/* 使用 vim 编辑器编写代码 */vim hello.c

预编译（hello.i）

/* 使用 -E 选项，生成 .i 预编译文件* 这个过程处理宏定义和include，去除注释，不会对语法进行检查*/gcc -E hello.c -o hello.i

编译（hello.s）

/* 使用 -S 选项，生成 .s 汇编文件* 这个阶段，检查语法*/gcc -S hello.i

汇编（hello.o）

/* 使用 -c 选项，生成 .o 目标文件 */gcc -c hello.s

链接（hello）

/* 使用 -o 选项，生成可执行文件 */gcc hello.o -o hello

5、预处理指令

#include // 将指定文件的内容插至此指令处 #include_next // 与#include一样，但从当前目录之后的目录查找，极少用#define // 定义宏#undef // 删除宏#if // 判定#ifdef // 判定宏是否已定义#ifndef // 判定宏是否未定义#else // 与#if、#ifdef、#ifndef结合使用#elif // else if多选分支#endif // 结束判定## // 连接宏内两个连续的字符串# // 将宏参数扩展成字符串字面值#error // 产生错误，结束预处理#warning // 产生警告#pragma // 提供额外信息的标准方法，可用于指定平台#pragma GCC dependency <文件> // 若<文件>比此文件新则产生警告#pragma GCC poison <标识> // 若出现<标识>则产生错 误#pragma pack(1/2/4/8) // 按1/2/4/8字节对齐补齐#line // 指定行号

For example:

error.c

#include <stdio.h>#if (VERSION < 1)#error "Version is too low!"#elif (VERSION > 4)#warning "version is too high!"#endifint main(void){printf("Version is :%d\n", VERSION);return 0;}

line.c

#include <stdio.h>int main(void){printf("line is %d\n", __LINE__);#line 100printf("line is %d\n", __LINE__);return 0;}

pragma.c

#include <stdio.h>#pragma GCC dependency "tmp.c" // 若tmp.c比此文件新则产生警告int main(void){return 0;} #include <stdio.h>#pragma GCC poison goto float // 若出现 goto 或 float 则产生错误int main(void){float a;loop :goto loop;return 0;} /* 64位操作系统下，默认8字节对齐 */#include <stdio.h>#pragma pack(1)struct S1 {double d;char c;int i;short h;}; // DDDDDDDDCIIIIHH, 15#pragma pack(4)struct S2 {double d;char c;int i;short h;}; // DDDDDDDDCXXXIIIIHHXX, 20#pragma pack(8)struct S3 {double d;char c;int i;short h;}; // DDDDDDDDCXXXXXXXIIIIHHXX, 24int main(void){#pragma pack()printf ("S1: %lu字节\n", sizeof (struct S1));printf ("S2: %lu字节\n", sizeof (struct S2));printf ("S3: %lu字节\n", sizeof (struct S3));return 0;}

6、预定义宏

__BASE_FILE__ // 正在编译的源文件名__FILE__ // 所在文件名__LINE__ // 行号__FUNCTION__ // 函数名__func__ // 同__FUNCTION____DATE__ // 日期__TIME__ // 时间__INCLUDE_LEVEL__ // 包含层数，从0开始__cplusplus // C++编译器将其定义为1，// C编译器不定义该宏

For example:

print.h

#ifndef _PRINT_H#define _PRINT_H#include <stdio.h>void print (void) {printf ("__BASE_FILE__ : %s\n", __BASE_FILE__);printf ("__FILE__ : %s\n", __FILE__);printf ("__LINE__ : %d\n", __LINE__);printf ("__FUNCTION__ : %s\n", __FUNCTION__);printf ("__func__ : %s\n", __func__);printf ("__DATE__ : %s\n", __DATE__);printf ("__TIME__ : %s\n", __TIME__);printf ("__INCLUDE_LEVEL__ : %d\n", __INCLUDE_LEVEL__);#ifdef __cplusplusprintf ("__cplusplus : %d\n", __cplusplus);#endif // __cplusplus}#endif//_PRINT_H

predef.h

#ifndef _PREDEF_H#define _PREDEF_H#include "print.h"#endif//_PREDEF_H

predef.c

#include "predef.h"int main (void) {print ();return 0;}

7、环境变量

C_INCLUDE_PATH // C头文件的附加搜索路径，相当于gcc的-I选项CPATH // 同C_INCLUDE_PATHCPLUS_INCLUDE_PATH // C++头文件的附加搜索路径LIBRARY_PATH // 链接时查找静态库/共享库的路径LD_LIBRARY_PATH // 运行时查找共享库的路径

通过gcc的-I选项指定C/C++头文件的附加搜索路径

gcc calc.c cpath.c -I.

将当前目录作为C头文件附加搜索路径，添加到CPATH环境变量中

export CPATH=$CPATH:. // export保证当前shell的,子进程继承此环境变量echo $CPATHenv | grep CPATH

也可以在/.bashrc或/.bash_profile，配置文件中写环境变量，永久有效

export CPATH=$CPATH:.执行# source ~/.bashrc 或 # source ~/.bash_profile//生效，以后每次登录自动生效。

头文件的三种定位方式
a）#include “目录/xxx.h”
  头文件路径发生变化，需要修改源程序
b）C_INCLUDE_PATH/CPATH=目录
  同时构建多个工程，可能引发冲突
c）gcc -I目录
  既不用改程序，也不会有冲突

头文件的作用
a）声明外部变量、函数和类
b）定义宏、类型别名和自定义类型
c）包含其它头文件
d）借助头文件卫士，防止因同一个头文件被多次包含，而引发重定义错

包含头文件时需要注意的问题
a）gcc的-I选项
  指定头文件附加搜索路径
b）#include <…>
  先找-I指定的目录，再找系统目录
c）#include “…”
  先找-I指定的目录，再找当前目录，最后找系统目录
d）头文件的系统目录

/usr/include /usr/local/include /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/5.4.0/include

四、静态库

1、简介

链接静态库是将库中的被调用代码复制到调用模块中

静态库占用空间非常大，不易修改但执行效率高

静态库的缺省扩展名是.a

2、创建静态库

编辑源代码

vim xxx.c/xxx.h

编译成目标文件

gcc -c xxx.c -o xxx.o

打包成静态库文件

ar -r libxxx.a xxx.o ...

3、ar 指令

ar指令：ar [选项] 静态库文件名 目标文件列表 -r // 将目标文件插入到静态库中，已存在则更新 -q // 将目标文件追加到静态库尾 -d // 从静态库中删除目标文件 -t // 列表显示静态库中的目标文件 -x // 将静态库展开为目标文件 /* 注意：提供静态库的同时也需要提供头文件 */

4、调用静态库

直接调用

gcc main.c libxxx.a

通过LIBRARY_PATH环境变量指定库路径

export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:.gcc main.c -lmath (环境法)

通过gcc的-L选项指定库路径

unset LIBRARY_PATHgcc main.c -lmath -L. (参数法)

一般化的方法：

gcc .c/.o -l<库名> -L<库路径>

运行
  在可执行程序的链接阶段，已将所调用的函数的二进制代码，复制到可执行程序中，因此运行时不需要依赖静态库。

五、共享库

1、简介

链接共享库则只是在调用模块中，嵌入被调用代码在库中的(相对)地址

共享库占用空间小，易于修改但执行效率略低

共享库的缺省扩展名是.so

2、创建共享库

编辑源程序

vim xxx.x/xxx.h

编译成目标文件

gcc -c -fpic xxx.c

链接成共享库文件

gcc -shared xxx.o -o libxxx.so

PIC (Position Independent Code)
  位置无关代码。可执行程序加载它们时，可将其映射到其地址空间的任何位置。

-fPIC // 大模式，生成代码比较大，运行速度比较慢，所有平台都支持。 -fpic // 小模式，生成代码比较小，运行速度比较快，仅部分平台支持。 /* 注意：提供共享库的同时也需要提供头文件 */

3、调用共享库

直接调用

gcc main.c libxxx.so

通过LIBRARY_PATH环境变量指定库路径

export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:.gcc main.c -lmath (环境法)

通过gcc的-L选项指定库路径

unset LIBRARY_PATHgcc main.c -lmath -L. (参数法)

一般化的方法

gcc .c/.o -l<库名> -L<库路径>

3、运行

  运行时需要保证LD_LIBRARY_PATH，环境变量中包含共享库所在的路径。
  在可执行程序的链接阶段，并不将所调用函数的二进制代码复制到可执行程序中。
  而只是将该函数在共享库中的地址嵌入到可执行程序中，因此运行时需要依赖共享库。
  gcc缺省链接共享库，可通过-static选项强制链接静态库。

六、动态加载共享库

1、头文件

#include <dlfcn.h>

2、加载共享库

/** 返回值：* 成功返回共享库句柄，失败返回NULL。* * 参数：* filename：共享库路径* 若只给文件名，则根据LD_LIBRARY_PATH环境变量搜索。* flag取值：加载方式* RTLD_LAZY - 延迟加载，使用共享库中的符号 (如调用函数)时才加载。 * RTLD_NOW - 立即加载。*/void* dlopen (const char* filename, int flag);

3、获取函数地址

/** 返回值：* 成功返回函数地址，失败返回NULL。* * 参数：* hanedle:共享库句柄* symbol:函数名*/void* dlsym (void* handle,const char* symbol );

4、卸载共享库

/** 成功返回0，失败返回非零。*/int dlclose (void* handle);

5、 获取错误信息

/** 有错误发生则返回错误信息字符串指针，否则返回NULL。*/char* dlerror (void);

七、辅助工具