Linux下C語言程式設計(轉)

Linux下C語言程式設計(轉)[@more@]

Linux的發行版中包含了很多軟體開發工具。 它們中的很多是用於 C 和 C++應用程式開發的。 本文介紹了在 Linux 下能用於 C 應用程式開發和除錯的工具。 本文的主旨是介紹如何在 Linux 下使用 C 編譯器和其他 C 程式設計工具, 而非 C 語言程式設計的教程。在本文中你將學到以下知識：

* 什麼是 C

* GNU C 編譯器

* 用 gdb 來除錯GCC應用程式

你也能看到隨 Linux 發行的其他有用的 C 程式設計工具。 這些工具包括源程式美化程式(pretty print programs), 附加的除錯工具, 函式原型自動生成工具(automatic function prototypers)。

注意： 源程式美化程式(pretty print programs)自動幫你格式化原始碼產生始終如一的縮排格式。

什麼是 C?

C 是一種在 UNIX 作業系統的早期就被廣泛使用的通用程式語言。 它最早是由貝爾實驗室的 Dennis Ritchie 為了 UNIX 的輔助開發而寫的, 開始時 UNIX 是用匯編語言和一種叫 B 的語言編寫的。 從那時候起, C 就成為世界上使用最廣泛計算機語言。

C 能在程式設計領域裡得到如此廣泛支援的原因有以下一些：

* 它是一種非常通用的語言。 幾乎你所能想到的任何一種計算機上都有至少一種能用的 C 編譯器。 並且它的語法和函式庫在不同的平臺上都是統一的, 這個特性對開發者來說很有吸引力。

* 用 C 寫的程式執行速度很快。

* C 是所有版本的UNIX上的系統語言。

C 在過去的二十年中有了很大的發展。 在80年代末期美國國家標準協會(American National Standards Institute)釋出了一個被稱為 ANSI C 的 C 語言標準。這更加保證了將來在不同平臺上的 C 的一致性。 在80年代還出現了一種 C 的物件導向的擴充套件稱為 C++。 C++ 將在另一篇文章 "C++ 程式設計"中描述。

Linux 上可用的 C 編譯器是 GNU C 編譯器, 它建立在自由軟體基金會的程式設計許可證的基礎上, 因此可以自由釋出。 你能在 Linux 的發行光碟上找到它。

GNU C 編譯器

隨 Slackware Linux 發行的 GNU C 編譯器(GCC)是一個全功能的 ANSI C 相容編譯器。如果你熟悉其他作業系統或硬體平臺上的一種 C 編譯器, 你將能很快地掌握 GCC。 本節將介紹如何使用 GCC 和一些 GCC 編譯器最常用的選項。

使用 GCC

通常後跟一些選項和檔名來使用 GCC 編譯器。 gcc 命令的基本用法如下：

gcc [options] [filenames]

命令列選項指定的操作將在命令列上每個給出的檔案上執行。 下一小節將敘述一些你會最常用到的選項。

GCC 選項

GCC 有超過100個的編譯選項可用。 這些選項中的許多你可能永遠都不會用到, 但一些主要的選項將會頻繁用到。 很多的 GCC 選項包括一個以上的字元。 因此你必須為每個選項指定各自的連字元, 並且就象大多數 Linux 命令一樣你不能在一個單獨的連字元後跟一組選項。例如, 下面的兩個命令是不同的：

gcc -p -g test.c

gcc -pg test.c

第一條命令告訴 GCC 編譯 test.c 時為 prof 命令建立剖析(profile)資訊並且把除錯資訊加入到可執行的檔案裡。 第二條命令只告訴 GCC 為 gprof 命令建立剖析資訊。

當你不用任何選項編譯一個程式時, GCC 將會建立(假定編譯成功)一個名為 a.out 的可執行檔案。 例如, 下面的命令將在當前目錄下產生一個叫 a.out 的檔案：

gcc test.c

你能用 -o 編譯選項來為將產生的可執行檔案指定一個檔名來代替 a.out。 例如, 將一個叫 count.c 的 C 程式編譯為名叫 count 的可執行檔案, 你將輸入下面的命令：

gcc -o count count.c

注意： 當你使用 -o 選項時, -o 後面必須跟一個檔名。

GCC 同樣有指定編譯器處理多少的編譯選項。 -c 選項告訴 GCC 僅把原始碼編譯為目的碼而跳過彙編和連線的步驟。這個選項使用的非常頻繁因為它使得編譯多個 C 程式時速度更快並且更易於管理。 預設時 GCC 建立的目的碼檔案有一個 .o 的副檔名。

-S 編譯選項告訴 GCC 在為 C 程式碼產生了組合語言檔案後停止編譯。 GCC 產生的組合語言檔案的預設副檔名是 .s 。 -E 選項指示編譯器僅對輸入檔案進行預處理。 當這個選項被使用時, 前處理器的輸出被送到標準輸出而不是儲存在檔案裡。

最佳化選項

當你用 GCC 編譯 C 程式碼時, 它會試著用最少的時間完成編譯並且使編譯後的程式碼易於除錯。易於除錯意味著編譯後的程式碼與原始碼有同樣的執行次序, 編譯後的程式碼沒有經過最佳化。 有很多選項可用於告訴 GCC 在耗費更多編譯時間和犧牲易除錯性的基礎上產生更小更快的可執行檔案。 這些選項中最典型的是-O 和 -O2 選項。

-O 選項告訴 GCC 對原始碼進行基本最佳化。 這些最佳化在大多數情況下都會使程式執行的更快。 -O2 選項告訴 GCC 產生儘可能小和儘可能快的程式碼。 -O2 選項將使編譯的速度比使用 -O 時慢。 但通常產生的程式碼執行速度會更快。

除了 -O 和 -O2 最佳化選項外, 還有一些低階選項用於產生更快的程式碼。 這些選項非常的特殊, 而且最好只有當你完全理解這些選項將會對編譯後的程式碼產生什麼樣的效果時再去使用。 這些選項的詳細描述, 請參考 GCC 的指南頁, 在命令列上鍵入 man gcc 。

除錯和剖析選項

GCC 支援數種除錯和剖析選項。 在這些選項裡你會最常用到的是 -g 和 -pg 選項。

-g 選項告訴 GCC 產生能被 GNU 偵錯程式使用的除錯資訊以便除錯你的程式。 GCC 提供了一個很多其他 C 編譯器裡沒有的特性, 在 GCC 裡你能使 -g 和 -O (產生最佳化程式碼)聯用。 這一點非常有用因為你能在與最終產品儘可能相近的情況下除錯你的程式碼。在你同時使用這兩個選項時你必須清楚你所寫的某些程式碼已經在最佳化時被 GCC 作了改動。 關於除錯 C 程式的更多資訊請看下一節"用 gdb 除錯 C 程式" 。

-pg 選項告訴 GCC 在你的程式里加入額外的程式碼, 執行時, 產生 gprof 用的剖析資訊以顯示你的程式的耗時情況。 關於 gprof 的更多資訊請參考 "gprof" 一節。

用 gdb 除錯 GCC 程式

Linux 包含了一個叫 gdb 的 GNU 除錯程式。 gdb 是一個用來除錯 C 和 C++ 程式的強力偵錯程式。 它使你能在程式執行時觀察程式的內部結構和記憶體的使用情況。 以下是 gdb 所提供的一些功能：

* 它使你能監視你程式中變數的值。

* 它使你能設定斷點以使程式在指定的程式碼行上停止執行。

* 它使你能一行行的執行你的程式碼。

在命令列上鍵入 gdb 並按Enter鍵就可以執行 gdb 了, 如果一切正常的話, gdb 將被啟動並且你將在螢幕上看到類似的內容：

GDB is free software and you are welcome to distribute copies of it

under certain conditions; type "show copying" to see the conditions．

There is absolutely no warranty for GDB; type "show warranty" for details.

GDB 4.14 (i486-slakware-linux), Copyright 1995 Free Software Foundation, Inc.

(gdb)

當你啟動 gdb 後, 你能在命令列上指定很多的選項。 你也可以以下面的方式來執行 gdb ：

gdb

當你用這種方式執行 gdb , 你能直接指定想要除錯的程式。 這將告訴gdb 裝入名為 fname 的可執行檔案。 你也可以用 gdb 去檢查一個因程式異常終止而產生的 core 檔案, 或者與一個正在執行的程式相連。 你可以參考 gdb 指南頁或在命令列上鍵入 gdb -h 得到一個有關這些選項的說明的簡單列表。

為除錯編譯程式碼(Compiling Code for Debugging)

為了使 gdb 正常工作, 你必須使你的程式在編譯時包含除錯資訊。 除錯資訊包含你程式裡的每個變數的型別和在可執行檔案裡的地址對映以及原始碼的行號。 gdb 利用這些資訊使原始碼和機器碼相關聯。

在編譯時用 -g 選項開啟除錯選項。

gdb 基本命令

gdb 支援很多的命令使你能實現不同的功能。 這些命令從簡單的檔案裝入到允許你檢查所呼叫的堆疊內容的複雜命令, 表27.1列出了你在用 gdb 除錯時會用到的一些命令。 想了解 gdb 的詳細使用請參考 gdb 的指南頁。

表 27.1. 基本 gdb 命令.

命令描述

file 裝入想要除錯的可執行檔案。

kill 終止正在除錯的程式。

list 執行一行原始碼但不進入函式內部。

next 執行一行原始碼但不進入函式內部。

step 執行一行原始碼而且進入函式內部。

run 執行當前被除錯的程式

quit 終止 gdb

watch 使你能監視一個變數的值而不管它何時被改變。

break 在程式碼裡設定斷點, 這將使程式執行到這裡時被掛起。

make 使你能不退出 gdb 就可以重新產生可執行檔案。

shell 使你能不離開 gdb 就執行 UNIX shell 命令。

gdb 支援很多與 UNIX shell 程式一樣的命令編輯特徵。 你能象在 bash 或 tcsh裡那樣按 Tab 鍵讓 gdb 幫你補齊一個唯一的命令, 如果不唯一的話 gdb 會列出所有匹配的命令。 你也能用游標鍵上下翻動歷史命令。

gdb 應用舉例

本節用一個例項教你一步步的用 gdb 除錯程式。 被除錯的程式相當的簡單, 但它展示了 gdb 的典型應用。

下面列出了將被除錯的程式。 這個程式被稱為 greeting , 它顯示一個簡單的問候, 再用反序將它列出。

#include

main ()

{

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2 (my_string);

}

void my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", string);

}

void my_print2 (char *string)

{

char *string2;

int size, i;

size = strlen (string);

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size - i] = string[i];

string2[size+1] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

用下面的命令編譯它：

gcc -o test test.c

這個程式執行時顯示如下結果：

The string is hello there

The string printed backward is

輸出的第一行是正確的, 但第二行列印出的東西並不是我們所期望的。 我們所設想的輸出應該是：

The string printed backward is ereht olleh

由於某些原因, my_print2 函式沒有正常工作。 讓我們用 gdb 看看問題究竟出在哪兒, 先鍵入如下命令：

gdb greeting

注意： 記得在編譯 greeting 程式時把除錯選項開啟。

如果你在輸入命令時忘了把要除錯的程式作為引數傳給 gdb , 你可以在 gdb 提示符下用 file 命令來載入它：

(gdb) file greeting

這個命令將載入 greeting 可執行檔案就象你在 gdb 命令列裡裝入它一樣。

這時你能用 gdb 的 run 命令來執行 greeting 了。 當它在 gdb 裡被執行後結果大約會象這樣：

(gdb) run

Starting program： /root/greeting

The string is hello there

The string printed backward is

Program exited with code 041

這個輸出和在 gdb 外面執行的結果一樣。 問題是, 為什麼反序列印沒有工作? 為了找出癥結所在, 我們可以在 my_print2 函式的 for 語句後設一個斷點, 具體的做法是在 gdb 提示符下鍵入 list 命令三次, 列出原始碼：

(gdb) list

(gdb) list

(gdb) list

技巧： 在 gdb 提示符下按回車健將重複上一個命令。

第一次鍵入 list 命令的輸出如下：

1 #include

2

3 main ()

4 {

5 char my_string[] = "hello there";

6

7 my_print (my_string);

8 my_print2 (my_string);

9 }

10

如果按下回車, gdb 將再執行一次 list 命令, 給出下列輸出：

11 my_print (char *string)

12 {

13 printf ("The string is %sn", string);

14 }

15

16 my_print2 (char *string)

17 {

18 char *string2;

19 int size, i;

20

再按一次回車將列出 greeting 程式的剩餘部分：

21 size = strlen (string);

22 string2 = (char *) malloc (size + 1);

23 for (i = 0; i < size; i++)

24 string2[size - i] = string[i];

25 string2[size+1] = ` ;

26 printf ("The string printed backward is %sn", string2);

27 }

根據列出的源程式, 你能看到要設斷點的地方在第24行, 在 gdb 命令列提示符下鍵入如下命令設定斷點：

(gdb) break 24

gdb 將作出如下的響應：

Breakpoint 1 at 0x139： file greeting.c, line 24

(gdb)

現在再鍵入 run 命令, 將產生如下的輸出：

Starting program： /root/greeting

The string is hello there

Breakpoint 1, my_print2 (string = 0xbfffdc4 "hello there") at greeting.c ：24

24 string2[size-i]=string[i]

你能透過設定一個觀察 string2[size - i] 變數的值的觀察點來看出錯誤是怎樣產生的, 做法是鍵入：

(gdb) watch string2[size - i]

gdb 將作出如下回應：

Watchpoint 2： string2[size - i]

現在可以用 next 命令來一步步的執行 for 迴圈了：

(gdb) next

經過第一次迴圈後, gdb 告訴我們 string2[size - i] 的值是 `h`。 gdb 用如下的顯示來告訴你這個資訊：

Watchpoint 2, string2[size - i]

Old value = 0 ` 00

New value = 104 `h

my_print2(string = 0xbfffdc4 "hello there") at greeting.c：23

23 for (i=0; i

這個值正是期望的。 後來的數次迴圈的結果都是正確的。 當 i=10 時, 表示式 string2[size - i] 的值等於 `e`, size - i 的值等於 1, 最後一個字元已經拷到新串裡了。

如果你再把迴圈執行下去, 你會看到已經沒有值分配給 string2[0] 了, 而它是新串的第一個字元, 因為 malloc 函式在分配記憶體時把它們初始化為空(null)字元。 所以 string2 的第一個字元是空字元。 這解釋了為什麼在列印 string2 時沒有任何輸出了。

現在找出了問題出在哪裡, 修正這個錯誤是很容易的。 你得把程式碼裡寫入 string2 的第一個字元的的偏移量改為 size - 1 而不是 size。 這是因為 string2 的大小為 12, 但起始偏移量是 0, 串內的字元從偏移量 0 到 偏移量 10, 偏移量 11 為空字元保留。

為了使程式碼正常工作有很多種修改辦法。 一種是另設一個比串的實際大小小 1 的變數。 這是這種解決辦法的程式碼：

#include

main ()

{

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2 (my_string);

}

my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", string);

}

my_print2 (char *string)

{

char *string2;

int size, size2, i;

size = strlen (string);

size2 = size -1;

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size2 - i] = string[i];

string2[size] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

另外的 C 程式設計工具

Slackware Linux 的發行版中還包括一些我們尚未提到的 C 開發工具。 本節將介紹這些工具和它們的典型用法。

xxgdb

xxgdb 是 gdb 的一個基於 X Window 系統的圖形介面。 xxgdb 包括了命令列版的 gdb 上的所有特性。 xxgdb 使你能透過按按鈕來執行常用的命令。 設定了斷點的地方也用圖形來顯示。

你能在一個 Xterm 視窗裡鍵入下面的命令來執行它：

xxgdb

你能用 gdb 裡任何有效的命令列選項來初始化 xxgdb 。 此外 xxgdb 也有一些特有的命令列選項, 表 27.2 列出了這些選項。

表 27.2. xxgdb 命令列選項.

選 項 描 述

db_name 指定所用偵錯程式的名字, 預設是 gdb。

db_prompt 指定偵錯程式提示符, 預設為 gdb。

gdbinit 指定初始化 gdb 的命令檔案的檔名, 預設為 .gdbinit。

nx 告訴 xxgdb 不執行 .gdbinit 檔案。

bigicon 使用大圖示。

calls

你可以在 sunsite.unc.edu FTP 站點用下面的路徑：

/pub/Linux/devel/lang/c/calls.tar.Z

來取得 calls , 一些舊版本的 Linux CD-ROM 發行版裡也附帶有。 因為它是一個有用的工具, 我們在這裡也介紹一下。如果你覺得有用的話, 從 BBS, FTP, 或另一張CD-ROM 上弄一個複製。 calls 呼叫 GCC 的前處理器來處理給出的源程式檔案, 然後輸出這些檔案的裡的函式呼叫樹圖。

注意： 在你的系統上安裝 calls , 以超級使用者身份登入後執行下面的步驟： 1． 解壓和 untar 檔案。 2．cd 進入 calls untar 後建立的子目錄。 3．把名叫 calls 的檔案移動到 /usr/bin 目錄。 4．把名叫 calls.1 的檔案移動到目錄 /usr/man/man1 。 5．刪除 /tmp/calls 目錄。 這些步驟將把 calls 程式和它的指南頁安裝載你的系統上。

當 calls 列印出呼叫跟蹤結果時, 它在函式後面用中括號給出了函式所在檔案的檔名：

main [test.c]

如果函式並不是向 calls 給出的檔案裡的, calls 不知道所呼叫的函式來自哪裡, 則只顯示函式的名字：

printf

calls 不對遞迴和靜態函式輸出。 遞迴函式顯示成下面的樣子：

fact <<< recursive in factorial.c >>>

靜態函式象這樣顯示：

total [static in calculate.c]

作為一個例子, 假設用 calls 處理下面的程式：

#include

main ()

{

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2(my_string);

}

my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", string);

}

my_print2 (char *string)

{

char *string2;

int size, size2, i;

size = strlen (string);

size2 = size -1;

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size2 - i] = string[i];

string2[size] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

將產生如下的輸出：

1 main [test.c]

2 my_print [test.c]

3 printf

4 my_print2 [test.c]

5 strlen

6 malloc

7 printf

calls 有很多命令列選項來設定不同的輸出格式, 有關這些選項的更多資訊請參考 calls 的指南頁。 方法是在命令列上鍵入 calls -h 。

cproto

cproto 讀入 C 源程式檔案並自動為每個函式產生原型申明。 用 cproto 可以在寫程式時為你節省大量用來定義函式原型的時間。

如果你讓 cproto 處理下面的程式碼：

#include

main ()

{

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2(my_string);

}

my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", *string);

}

my_print2 (char *string)

{

char *string2;

int size, size2, i;

size = strlen (string);

size2 = size -1;

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size2 - i] = string[i];

string2[size] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

你將得到下面的輸出：

/* test.c */

int main(void);

int my_print(char *string);

int my_print2(char *string);

這個輸出可以重定向到一個定義函式原型的包含檔案裡。

indent

indent 實用程式是 Linux 裡包含的另一個程式設計實用工具。 這個工具簡單的說就為你的程式碼產生美觀的縮排的格式。 indent 也有很多選項來指定如何格式化你的原始碼。這些選項的更多資訊請看indent 的指南頁, 在命令列上鍵入 indent -h 。

下面的例子是 indent 的預設輸出：

執行 indent 以前的 C 程式碼：

#include

main () {

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2(my_string); }

my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", *string);

}

my_print2 (char *string) {

char *string2;

int size, size2, i;

size = strlen (string);

size2 = size -1;

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size2 - i] = string[i];

string2[size] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

執行 indent 後的 C 程式碼：

#include

main ()

{

char my_string[] = "hello there";

my_print (my_string);

my_print2 (my_string);

}

my_print (char *string)

{

printf ("The string is %sn", *string);

my_print2 (char *string)

{

char *string2;

int size, size2, i;

size = strlen (string);

size2 = size -1;

string2 = (char *) malloc (size + 1);

for (i = 0; i < size; i++)

string2[size2 - i] = string[i];

string2[size] = ` ;

printf ("The string printed backward is %sn", string2);

}

indent 並不改變程式碼的實質內容, 而只是改變程式碼的外觀。 使它變得更可讀, 這永遠是一件好事。

gprof

gprof 是安裝在你的 Linux 系統的 /usr/bin 目錄下的一個程式。 它使你能剖析你的程式從而知道程式的哪一個部分在執行時最費時間。

gprof 將告訴你程式裡每個函式被呼叫的次數和每個函式執行時所佔時間的百分比。 你如果想提高你的程式效能的話這些資訊非常有用。

為了在你的程式上使用 gprof, 你必須在編譯程式時加上 -pg 選項。 這將使程式在每次執行時產生一個叫 gmon.out 的檔案。 gprof 用這個檔案產生剖析資訊。

在你執行了你的程式併產生了 gmon.out 檔案後你能用下面的命令獲得剖析資訊：

gprof

引數 program_name 是產生 gmon.out 檔案的程式的名字。

技巧： gprof 產生的剖析資料很大, 如果你想檢查這些資料的話最好把輸出重定向到一個檔案裡。

f2c 和 p2c

f2c 和 p2c 是兩個原始碼轉換程式。 f2c 把 FORTRAN 程式碼轉換為 C 程式碼, p2c 把 Pascal 程式碼轉換為 C 程式碼。 當你安裝 GCC 時這兩個程式都會被安裝上去。

如果你有一些用 FORTRAN 或 Pascal 寫的程式碼要用 C 重寫的話, f2c 和 p2c 對你非常有用。 這兩個程式產生的 C 程式碼一般不用修改就直接能被 GCC 編譯。

如果要轉換的 FORTRAN 或 Pascal 程式比較小的話可以直接使用 f2c 或 p2c 不用加任何選項。 如果要轉換的程式比較龐大, 包含很多檔案的話你可能要用到一些命令列選項。

在一個 FORTRAN 程式上使用 f2c , 輸入下面的命令：

f2c my_fortranprog.f

注意： f2c 要求被轉換的程式的副檔名為 .f 或 a .F 。

要把一個Pascal 程式裝換為 C 程式, 輸入下面的命令：

p2c my_pascalprogram.pas

這兩個程式產生的 C 原始碼的檔名都和原來的檔名相同, 但副檔名由 .f 或 .pas 變為 .c