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
```