c语言的编译与调试
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
-
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。
-
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。
-
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。
-
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:
-
运行程序:
run
-
设置断点:
break function1
-
继续运行:
continue
-
单步执行:
step
-
打印变量值:
print x
-
查看调用栈:
backtrace
-
查看局部变量:
info locals