＜Linux＞ 编译器与调试器—gcc/g++/gdb 的使用

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一、Linux编译器 - gcc/g++ 使用

1. 编译程序的四个过程

背景知识

我们知道程序最终需要转化为机器语言（二进制），因为计算机只认识二进制。在程序转化为二进制（编译）的过程中需要经过如下四个过程：

1. 预处理（进行宏替换)
2. 编译（生成汇编)
3. 汇编（生成机器可识别代码）
4. 连接（生成可执行文件或库文件)

这方面的内容我们在【C】程序环境和预处理已经初步了解过了，但是并没有具体分析过程，接下来我们来演示一下各个过程。

预处理

gcc -E test.c -o test.i
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• 将所有的#define删除，并展开所有的宏定义。

• 处理所有的预编译指令，例如：#if，#elif，#else，#endif等。

• 处理#include预编译指令，将被包含的文件插入到预编译指令的位置。

• 添加行号信息、文件名标识，便于调试。

• 删除所有的注释。

• 保留所有的#pragma编译指令，因为在编写程序的时候，我们经常要用到#pargma指令来设定编译的状态或者是指示编译器完成一些特定的动作。

• 生成.i文件（包括去注释、宏替换、头文件展开、条件编译），编译生成的.i文件不包含任何宏定义，因为宏已经被展开，并且包含的文件已经被插入到.i文件中。

• -E：从现在开始给我进行程序的翻译，当gcc在预处理完成，就停下来。

• -o：把预处理后的结果写到临时文件test.i里头。“.i”文件为已经过预处理的C原始程序

代码演示：

编译

gcc -S test.i -o test.s
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• 扫描、语法分析、语义分析、源代码分析、目标代码生成、目标代码优化。

• 生成汇编代码。

• 汇总符号。

• 生成.s文件。

• -S：从现在开始进行程序的翻译，当我们编译完成之后，就停下来。
• -o：把编译后的文件写到临时文件test.s里头。

汇编

gcc -c test.s -o test.o
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• 根据汇编指令和特定平台，把汇编指令翻译成二进制形式。

• 合并各个section，合并符号表。

• 将汇编语言翻译成为可重定位二进制文件（.o / obj）
• -c：从现在开始进行程序的翻译，当我们汇编结束之后，就停下来

我们可以使用 od test.o 指令，将test.o转化为二进制数字。

汇编语言并不能被计算机直接执行，注意这里虽然是二进制文件了，但是仍然不是可执行程序，因为还少了最后一步的链接。

链接

gcc test.o -o mytest
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• 合并各个.obj文件的section，合并符号表，进行符号解析。

• 符号地址重定位。

• 生成可执行文件。

• 这一步就是链接我们自己的程序和库，形成可执行程序！

• gcc后面不带E/S/c这三个指令，默认就是直接生成可执行程序，省略前三个步骤。

2. 链接方式与函数库

2.1 动态链接与静态链接

为了帮助大家理解，这里我们将一个故事：

假设你上高中了，现在有一个事情你爸给你说一下，就你去学校的时候千万不要去受你那些不好的学长影响，好好学习。你说，好的，满口答应，但是你都不听你爸爸的话。假如这是你们的学校，比如说叫做某某一中，这是学校里面的有一栋宿舍楼，你们的宿舍在501，那么在你进入高校之前，进入，进入这个中学之前你就知道，这个学校管理的非常严格，这个学校它是一个封闭式管理的学校，就是我一到学校里面就出不去了，但是星期天还可以出学校，关键是这个学校禁止你个人携带任何电子设备，这难不倒你，为什么？我们学校附近有一所网吧，叫红树林网吧。你星期天列了一个计划，然后执行。看了一会语文，然后又看了一会英语，然后又看了一会数学，然后去了网吧，愉快的在这上网，那么上网期间，你很愉快的度过了你上网的一个到两个小时，之后就直接回到学校，然后继续做我的计划，然后继续向后再进行执行。你列的这一张清单，那么这个清单就是你写的这个计划，你列的你要做什么，那么这就是你的程序，程序从上到下，全部依次去执行，其中这个程序当中，你要在做的事情，有一部分是靠你自己一个人就可以做的，比如说你想看什么语文英语数学，但是上网的话，你没有上网的工具所以在这里，在你只能跑到到外部去上网，那么其中这个小蚂蚁网吧就叫做库，那么所以当你的程序执行到一定的位置，他会发现，这个方法我这里没有。我要执行函数功能，函数没有，怎么办？我跑到库里面去执行，然后完成之后再把我们的结果再返回，返回之后，然后此时再继续执行我后续的程序。那么这个格式，我们就叫做库函数跳转，也就是我们之间跳转到库的中去执行我们的库函数，那么你怎么知道程序？那么其实说白了，程序背后就是人。那么程序背后怎么知道库在哪里？当年你打电话给你的学长，问他哪里能上网，那么，其中你和你的学长电话的这个过程就叫做，和库建立连接好，那么你的学长在这里他相当于什么？你的学长就相当于一个编译器内部的一个编译器内部的一个链接器，他告诉你的库在哪里，你将来想去调用库方法，那你就去什么地方调就可以了。

但是最近发生一些变故，因为这个网吧的存在，你们附近的学校的学生经常去上网，极大的影响了你们这些学校的成绩，所以你们这几所学校的校长，一起联合举报了这所网吧，说它天天毒害我们学校的青少年，所以警察同志以非法经营的接口把这所网吧给封了。你父母听说了你学校附近的网吧被封了，他们不担心你上网，就是担心你不能上网。于是你爸大手一挥，把网吧的电脑买下来了，并且和学校商量一下，允许你在周末的时候使用电脑，于是在你的宿舍装了一台电脑。这时候你就可以直接在宿舍上网了。这就不用在路上来回跑。

1、什么是静态链接？

静态链接（Static Linking）是由链接器在链接时将库的内容加入到可执行程序中的做法。链接器是一个独立程序，将一个或多个库或目标文件（先前由编译器或汇编器生成）链接到一块生成可执行程序。这里的库指的是静态链接库，Windows下以.lib为后缀，Linux下以.a为后缀。

2、什么是动态链接？

动态链接（Dynamic Linking），把链接这个过程推迟到了运行时再进行，在可执行文件装载时或运行时，由操作系统的装载程序加载库。这里的库指的是动态链接库，Windows下以.dll为后缀，Linux下以.so为后缀。值得一提的是，在Windows下的动态链接也可以用到.lib为后缀的文件，但这里的.lib文件叫做导入库，是由.dll文件生成的。

转载自： 静态链接与动态链接的区别

2.2.函数库

我们的C程序中，并没有定义“printf”的函数实现,且在预编译中包含的“stdio.h”中也只有该函数的声明,而没有定义函数的实现,那么,是在哪里实“printf”函数的呢?

最后的答案是:系统把这些函数实现都被做到名为 libc.so.6 的库文件中去了,在没有特别指定时,gcc 会到系统默认的搜索路径“/usr/lib”下进行查找,也就是链接到 libc.so.6 库函数中去,这样就能实现函数“printf”了,而这也就是链接的作用

函数库一般分为静态库和动态库两种，下面展开讨论：

2.3.动态库与静态库

• 头文件：给我们提供了使用的方法，所有的开发环境，具有语法提示，本质是通过头文件帮我们搜索的。（.h）
• 库文件：给我们提供了可以使用的方法的实现，以供链接，形成我们自己的可执行程序。（.c、.cpp）

静态库：

• 后缀名Linux（.a），windows（.lib）
• 静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。静态链接拷贝的并不是.so内部的代码。而是系统必须存在.so结尾的库文件。

动态库：

• 后缀名Linux（.so），windows（.dll）
• 动态库与之相反,在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为“.so”,如前面所述的 libc.so.6 就是动态库。gcc 在编译时默认使用动态库。完成了链接之后，gcc 就可以生成可执行文件，如下所示。 gcchello.o –o hello

静态库和动态库的名称是去掉前缀和后缀剩下的内容。

接下来对比下动静态库的优缺点：

gcc默认生成的二进制程序是动态链接的，可以通过file命令验证：

如果你想强制改成静态链接，只需要在后面加个-static即可，如下：

如果执行不了静态链接，则说明没有链接到静态库，需要手动执行下面的命令：

gcc（C语言）sudo yum install -y glibc-static
g++（C++）sudo yum install -y libstdc++-static
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3. gcc/g++ 的使用

常用选项如下：

1. -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
2. -S 编译到汇编语言不进行汇编和链接
3. -c 编译到目标代码
4. -o 文件输出到文件
5. -static 此选项对生成的文件采用静态链接
6. -g 生成调试信息。GNU 调试器可利用该信息。
7. -shared 此选项将尽量使用动态库，所以生成文件比较小，但是需要系统由动态库.
8. -O0 / -O1 / -O2 / -O3 编译器的优化选项的4个级别，-O0表示没有优化,-O1为缺省值，-O3优化级别最高
9. -w 不生成任何警告信息。
10. -Wall 生成所有警告信息。

二、Linux调试器 - gdb 使用

1. debug 和 release

Debug：Debug 通常称为调试版本，通过一系列编译选项的配合，编译的结果通常包含调试信息，而且不做任何优化，以为开发人员提供 强大的应用程序调试能力。

Release：Release通常称为 发布版本，是为用户使用的，一般客户不允许在发布版本上进行调试。所以不保存调试信息，同时，它往往进行了各种优化，以期达到代码最小和速度最优。为用户的使用提供便利。

2. gdb 的使用

• gdb的安装

在Linux下，安装gdb的命令为:

sudo yum install -y gdb
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程序的发布方式有两种，debug模式和release模式

Linux gcc/g++出来的二进制程序，默认是release模式

• 要使用gdb调试，必须在源代码生成二进制程序的时候, 加上 -g 选项

gcc mytest.c -o mytest_g -g
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并且这里很明显能看出debug版本的大小是比release版本的大的，而大出来的部分就是增加的调试信息。可以通过readelf -S这条指令看出来：

下面就开始讲解调试的选项指令：

gdb命令汇总

• gdb binFile ：开始调试

• list （l）行号：显示binFile源代码，接着上次的位置往下列，每次列10行。

• list 函数名：列出某个函数的源代码。

• run（r）：运行程序（逐语句）。

• next（n）：单条执行（逐过程）。

• step（s）：进入函数调用

• break（b） 行号：在某一行设置断点

• break 函数名：在某个函数开头设置断点

• info b ：查看断点信息。

• finish（fin）：执行到当前函数返回，然后挺下来等待命令

• print（p）：打印表达式的值，通过表达式可以修改变量的值或者调用函数

• p 变量：打印变量值。

• set var：修改变量的值

• continue（c）：从当前位置开始连续而非单步执行程序

• run（r）：从开始连续而非单步执行程序

• d ：删除所有断点

• d 行号：删除序号为n的断点

• disable 编号：禁用断点

• enable 编号：启用断点

• info（i） breakpoints：查看当前设置了哪些断点

• display 变量名：跟踪查看一个变量，每次停下来都显示它的值

• undisplay：取消对先前设置的那些变量的跟踪

• until X行号：跳至X行

• breaktrace（bt）：查看各级函数调用及参数

• info（i）locals：查看当前栈帧局部变量的值

• quit（q）：退出gdb（ctrl + d ）

接下来，我们演示一些常用的指令：

显示代码：l 行数

b 行数（打断点）：

info b（查看断点）：

d + 断点编号（取消断点）：

r （调试运行，在断点处停下）：

n（逐语句）：

s（逐过程）：

c（运行至下一个断点）：

fin（直接运行到函数跑完）：

bt（函数调用堆栈）：

display/undisplay（常显示变量，类似于监视）：

until（调整指定行）：

p 变量（打印变量值）set var（修改变量的值）：

info local（查看当前栈帧局部变量的值）：

disable breakpoints（禁用断点）：

剩下还有一些指令就留给大家去练习一下了，上面的指令平时用的比较多，希望大家多加练习，能够掌握gdb基本的使用。