1.引言

　　Linux操作系統在服務器領域的應用和普及已經有較長的歷史，這源于它的開源特點以及其超越Windows的安全性和穩定性。而近年來，Linux操作系統在嵌入式系統領域的延伸也可謂是如日中天，許多版本的嵌入式Linux系統被開發出來，如ucLinux、RTLinux、ARM-Linux等等。在嵌入式操作系統方面，Linux的地位是不容懷疑的，它開源、它包含TCP/IP協議棧、它易集成GUI。

　　鑒于Linux操作系統在服務器和嵌入式系統領域愈來愈廣泛的應用，社會上越來越需要基于Linux操作系統進行編程的開發人員。

　　瀏覽許多論壇，經常碰到這樣的提問：“現在是不是很流行unix/linux下的c編程？所以想學習一下！但是不知道該從何學起，如何下手！有什么好的建議嗎？各位高手！哪些書籍比較合適初學者？在深入淺出的過程中應該看哪些不同層次的書？比如好的網站、論壇請大家賜教！不慎感激！”

　　鑒于讀者的需求，在本文中，筆者將對Linux平臺下C編程的幾個方面進行實例講解，并力求回答讀者們關心的問題，以與讀者朋友們進行交流，共同提高。在本文的連載過程中，有任何問題或建議，您可以給筆者發送email：21cnbao@21cn.com，您也可以進入筆者的博客參與討論：http://blog.donews.com/21cnbao。

　　筆者建議在PC內存足夠大的情況下，不要直接安裝Linux操作系統，最好把它安裝在運行VMWare虛擬機軟件的Windows平臺上，如下圖：

　　在Linux平臺下，可用任意一個文本編輯工具編輯源代碼，但筆者建議使用emacs軟件，它具備語法高亮、版本控制等附帶功能，如下圖：

　　2.GCC編譯器

　　GCC是Linux平臺下最重要的開發工具，它是GNU的C和C++編譯器，其基本用法為：

gcc [options] [filenames]

　　options為編譯選項，GCC總共提供的編譯選項超過100個，但只有少數幾個會被頻繁使用，我們僅對幾個常用選項進行介紹。

　　假設我們編譯一輸出“Hello World”的程序：

/* Filename:helloworld.c */
main()
{
printf("Hello World\n");
}

　　最簡單的編譯方法是不指定任何編譯選項：

gcc helloworld.c

　　它會為目標程序生成默認的文件名a.out，我們可用-o編譯選項來為將產生的可執行文件指定一個文件名來代替a.out。例如，將上述名為helloworld.c的C程序編譯為名叫helloworld的可執行文件，需要輸入如下命令：

gcc –o helloworld helloworld.c

　　-c選項告訴GCC僅把源代碼編譯為目標代碼而跳過匯編和連接的步驟；

　　-S 編譯選項告訴GCC 在為 C代碼產生了匯編語言文件后停止編譯。GCC 產生的匯編語言文件的缺省擴展名是.s，上述程序運行如下命令：

gcc –S helloworld.c

　　將生成helloworld.c的匯編代碼，使用的是AT&T匯編。用emacs打開匯編代碼如下圖：

　　-E選項指示編譯器僅對輸入文件進行預處理。當這個選項被使用時，預處理器的輸出被送到標準輸出（默認為屏幕）而不是儲存在文件里。

　　-O選項告訴GCC對源代碼進行基本優化從而使得程序執行地更快；而-O2選項告訴GCC產生盡可能小和盡可能快的代碼。使用-O2選項編譯的速度比使用-O時慢，但產生的代碼執行速度會更快。

　　-g選項告訴GCC產生能被GNU調試器使用的調試信息以便調試你的程序，可喜的是，在GCC里，我們能聯用-g和-O (產生優化代碼)。

　　-pg選項告訴GCC在你的程序里加入額外的代碼，執行時，產生gprof用的剖析信息以顯示你的程序的耗時情況。

　　3.GDB調試器

　　GCC用于編譯程序，而Linux的另一個GNU工具gdb則用于調試程序。gdb是一個用來調試C和C++程序的強力調試器，我們能通過它進行一系列調試工作，包括設置斷點、觀查變量、單步等。
其最常用的命令如下：

　　file：裝入想要調試的可執行文件。
　　kill：終止正在調試的程序。
　　list：列表顯示源代碼。
　　next：執行一行源代碼但不進入函數內部。
　　step：執行一行源代碼而且進入函數內部。
　　run：執行當前被調試的程序
　　quit：終止gdb
　　watch：監視一個變量的值
　　break：在代碼里設置斷點，程序執行到這里時掛起
　　make：不退出gdb而重新產生可執行文件
　　shell：不離開gdb而執行shell

　　下面我們來演示怎樣用GDB來調試一個求0+1+2+3+…+99的程序：

/* Filename:sum.c */
main()
{
int i, sum;
sum = 0;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
sum + = i;
}

printf("the sum of 1+2+...+ is %d", sum);
}

　　執行如下命令編譯sum.c（加-g選項產生debug信息）：

gcc –g –o sum sum.c

　　在命令行上鍵入gdb sum并按回車鍵就可以開始調試sum了，再運行run命令執行sum，屏幕上將看到如下內容：

　　list命令：

　　list命令用于列出源代碼，對上述程序兩次運行list，將出現如下畫面（源代碼被標行號）：

　　根據列出的源程序，如果我們將斷點設置在第5行，只需在gdb 命令行提示符下鍵入如下命令設置斷點：(gdb) break 5，執行情況如下圖：

　　這個時候我們再run，程序會停止在第5行，如下圖：

　　設置斷點的另一種語法是 break <function>，它在進入指定函數（function）時停住。

　　相反的，clear用于清除所有的已定義的斷點，clear <function>清除設置在函數上的斷點， clear <linenum>則清除設置在指定行上的斷點。

　　watch命令：
　　　
　　watch命令用于觀查變量或表達式的值，我們觀查sum變量只需要運行watch sum：

　　　watch <expr>為表達式（變量）expr設置一個觀察點，一量表達式值有變化時，程序會停止執行。

　　要觀查當前設置的watch，可以使用info watchpoints命令。

　　next、step命令：

　　　next、step用于單步執行，在執行的過程中，被watch變量的變化情況將實時呈現(分別顯示Old value和New value)，如下圖：

　　　next、step命令的區別在于step遇到函數調用，會跳轉到到該函數定義的開始行去執行，而next則不進入到函數內部，它把函數調用語句當作一條普通語句執行。

　　4.Make

　　make是所有想在Linux系統上編程的用戶必須掌握的工具，對于任何稍具規模的程序，我們都會使用到make，幾乎可以說不使用make的程序不具備任何實用價值。

　　在此，我們有必要解釋編譯和連接的區別。編譯器使用源碼文件來產生某種形式的目標文件(object files)，在編譯過程中，外部的符號參考并沒有被解釋或替換（即外部全局變量和函數并沒有被找到）。因此，在編譯階段所報的錯誤一般都是語法錯誤。而連接器則用于連接目標文件和程序包，生成一個可執行程序。在連接階段，一個目標文件中對別的文件中的符號的參考被解釋，如果有符號不能找到，會報告連接錯誤。

　　編譯和連接的一般步驟是：第一階段把源文件一個一個的編譯成目標文件，第二階段把所有的目標文件加上需要的程序包連接成一個可執行文件。這樣的過程很痛苦，我們需要使用大量的gcc命令。

　　而make則使我們從大量源文件的編譯和連接工作中解放出來，綜合為一步完成。GNU Make的主要工作是讀進一個文本文件，稱為makefile。這個文件記錄了哪些文件（目的文件，目的文件不一定是最后的可執行程序，它可以是任何一種文件）由哪些文件（依靠文件）產生，用什么命令來產生。Make依靠此makefile中的信息檢查磁盤上的文件，如果目的文件的創建或修改時間比它的一個依靠文件舊的話，make就執行相應的命令，以便更新目的文件。

　　假設我們寫下如下的三個文件，add.h用于聲明add函數，add.c提供兩個整數相加的函數體，而main.c中調用add函數：

/* filename:add.h */
extern int add(int i, int j);

/* filename:add.c */
int add(int i, int j)
{
return i + j;
}

/* filename:main.c */
#include "add.h"
main()
{
int a, b;
a = 2;
b = 3;
printf("the sum of a+b is %d", add(a + b));
}

　　怎樣為上述三個文件產生makefile呢？如下：

test : main.o add.o
gcc main.o add.o -o test

main.o : main.c add.h
gcc -c main.c -o main.o

add.o : add.c add.h
gcc -c add.c -o add.o 

　　上述makefile利用add.c和add.h文件執行gcc -c add.c -o add.o命令產生add.o目標代碼，利用main.c和add.h文件執行gcc -c main.c -o main.o命令產生main.o目標代碼，最后利用main.o和add.o文件（兩個模塊的目標代碼）執行gcc main.o add.o -o test命令產生可執行文件test。

　　我們可在makefile中加入變量，另外。環境變量在make過程中也被解釋成make的變量。這些變量是大小寫敏感的，一般使用大寫字母。Make變量可以做很多事情，例如：

　　i) 存儲一個文件名列表；
　　ii) 存儲可執行文件名；
　　iii) 存儲編譯器選項。

　　要定義一個變量，只需要在一行的開始寫下這個變量的名字，后面跟一個=號，再跟變量的值。引用變量的方法是寫一個$符號，后面跟（變量名）。我們把前面的 makefile 利用變量重寫一遍（并假設使用-Wall -O –g編譯選項）：

OBJS = main.o add.o
CC = gcc
CFLAGS = -Wall -O -g

test : $(OBJS)
$(CC) $(OBJS) -o test

main.o : main.c add.h
$(CC) $(CFLAGS) -c main.c -o main.o

add.o : add.c add.h
$(CC) $(CFLAGS) -c add.c -o add.o 

　　makefile 中還可定義清除（clean）目標，可用來清除編譯過程中產生的中間文件，例如在上述makefile文件中添加下列代碼：

clean:
rm -f *.o

　　運行make clean時，將執行rm -f *.o命令，刪除所有編譯過程中產生的中間文件。

　　不管怎么說，自己動手編寫makefile仍然是很復雜和煩瑣的，而且很容易出錯。因此，GNU也為我們提供了Automake和Autoconf來輔助快速自動產生makefile，讀者可以參閱相關資料。

　　5.小結

　　本章主要闡述了Linux程序的編寫、編譯、調試方法及make，實際上就是引導讀者學習怎樣在Linux下編程，為后續章節做好準備。