UNIX系统上程序员需要掌握的C编程环境的基础知识_unix系统

这是一份非常简短的文档，可以帮助你熟悉UNIX系统上C编程环境的基础知识。它不是面面俱到或特别详细，只是给你足够的知识让你继续学习。

关于编程的几点一般建议：如果想成为一名专业程序员，需要掌握的不仅仅是语言的语法。具体来说，应该了解你的工具，了解你的库，并了解你的文档。与C编译相关的工具是gcc、gdb和ld。还有大量的库函数也可供你使用，但幸运的是libc包含了许多功能，默认情况下它与所有C程序相关联——需要做的就是包含正确的头文件。最后，了解如何找到所需的库函数（例如，学习查找和阅读手册页）是一项值得掌握的技能。我们稍后将更详细地讨论这些内容。

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）欢迎加入程序员读书会，每日分享IT好书及不定期免费赠书活动

就像生活中（几乎）所有值得做的事情，成为这些领域的专家需要时间——事先花时间了解有关工具和环境的更多信息，绝对值得付出努力。

E.1　一个简单的C程序我们从一个简单的C程序开始，它保存在文件“hw.c”中。与Java不同，文件名和文件内容之间不一定有关系。因此，请以适当的方式，利用你的常识来命名文件。

第一行指定要包含的文件，在本例中为stdio.h，它包含许多常用输入/输出函数的“原型”。我们感兴趣的是printf()。当你使用#include指令时，就告诉C预处理器（cpp）查找特定文件（例如，stdio.h），并将其直接插入到#include的代码中。默认情况下，cpp将查看目录/usr/include/，尝试查找该文件。

下面一部分指定main()函数的签名，即它返回一个整数（int），并用两个参数来调用，一个整数argc，它是命令行上参数数量的计数。一个指向字符（argv）的指针数组，每个指针都包含命令行中的一个单词，最后一个单词为null。下面的指针和数组会更多。

/* header files go up here *//* note that C comments are enclosed within a slash and a star, and may wrap over lines */// if you use gcc, two slashes will work too (and may be preferred)#include <stdio.h>/* main returns an integer */int main(int argc, char *argv[]) { /* printf is our output function; by default, writes to standard out */ /* printf returns an integer, but we ignore that */ printf("hello, world\n");　 /* return 0 to indicate all went well */ return(0);}程序然后简单打印字符串“hello，world”，并将输出流换到下一行，这是由printf()调用结束时的“\n”实现的。然后，程序返回一个值并结束，该值被传递回执行程序的shell。终端上的脚本或用户可以检查此值（在csh和tcsh shell中，它存储在状态变量中），以查看程序是干净地退出还是出错。

E.2　编译和执行我们现在将学习如何编译程序。请注意，我们将使用gcc作为示例，但在某些平台上，可以使用不同的（本机）编译器cc。

在shell提示符下，只需键入：

prompt> gcc hw.cgcc不是真正的编译器，而是所谓的“编译器驱动程序”，因此它协调了编译的许多步骤。通常有4～5个步骤。首先，gcc将执行cpp（C预处理器）来处理某些指令（例如#define和#include。程序cpp只是一个源到源的转换器，所以它的最终产品仍然只是源代码（即一个C文件）。然后真正的编译将开始，通常是一个名为cc1的命令。这会将源代码级别的C代码转换为特定主机的低级汇编代码。然后执行汇编程序as，生成目标代码（机器可以真正理解的数据位和代码位），最后链接编辑器（或链接器）ld将它们组合成最终的可执行程序。幸运的是（！），在大多数情况下，你可以不明白gcc如何工作，只需愉快地使用正确的标志。

上面编译的结果是一个可执行文件，命名为（默认情况下）a.out。然后运行该程序，只需键入：

prompt> ./a.out运行该程序时，操作系统将正确设置argc和argv，以便程序可以根据需要处理命令行参数。具体来说，argc将等于1，argv [0]将是字符串“./a.out”，而argv[1]将是null，表示数组的结束。

E.3　有用的标志在继续使用C语言之前，我们首先指出一些有用的gcc编译标志。

prompt> gcc -o hw hw.c # -o: to specify the executable name prompt> gcc -Wall hw.c # -Wall: gives much better warnings prompt> gcc -g hw.c # -g: to enable debugging with gdb prompt> gcc -O hw.c # -O: to turn on optimization当然，你可以根据需要组合这些标志（例如gcc -o hw -g -Wall hw.c）。在这些标志中，你应该总是使用-Wall，这会提供很多关于可能出错的额外警告。不要忽视警告！相反，要修复它们，让它们幸福地消失。

E.4　与库链接有时，你可能想在程序中使用库函数。因为C库中有很多函数（可以自动链接到每个程序），所以通常要做的就是找到正确的#include文件。最好的方法是通过手册页（manual page），通常称为man page。

例如，假设你要使用fork()系统调用[1]。在shell提示符下输入man fork，你将获得fork()如何工作的文本描述。最顶部的是一个简短的代码片段，它告诉你在程序中需要#include哪些文件才能让它通过编译。对于fork()，需要#include sys/types.h和unistd.h，按如下方式完成：

#include <sys/types.h>#include <unistd.h>但是，某些库函数不在C库中，因此你必须做更多的工作。例如，数学库有许多有用的函数（正弦、余弦、正切等）。如果要在代码中包含函数tan()，应该先查手册页。在tan的Linux手册页的顶部，你会看到以下两行代码：

#include <math.h>...Link with -lm.你已经应该理解了第一行——你需要#include数学库，它位于文件系统的标准位置（即/usr/include/math.h）。但是，下一行告诉你如何将程序与数学库“链接”。有许多有用的库可以链接。其中许多都放在/usr/lib中，数学库也确实在这里。

有两种类型的库：静态链接库（以.a结尾）和动态链接库（以.so结尾）。静态链接库直接组合到可执行文件中。也就是说，链接器将库的低级代码插入到可执行文件中，从而产生更大的二进制对象。动态链接通过在程序可执行文件中包含对库的引用来改进这一点。程序运行时，操作系统加载程序动态链接库。这种方法优于静态方法，因为它节省了磁盘空间（没有不必要的大型可执行文件），并允许应用程序在内存中共享库代码和静态数据。对于数学库，静态和动态版本都可用，静态版本是/usr/lib/libm.a，动态版本是/usr/lib/libm.so。

在任何情况下，要与数学库链接，都需要向链接编辑器指定库。这可以通过使用正确的标志调用gcc来实现。

prompt> gcc -o hw hw.c -Wall -lm-l×××标志告诉链接器查找lib×××.so或lib×××.a，可能按此顺序。如果出于某种原因，你坚持使用动态库而不是静态库，那么可以使用另一个标志——看看你是否能找到它是什么。人们有时更喜欢库的静态版本，因为使用动态库有一点点性能开销。

最后要注意：如果你希望编译器在不同于常用位置的路径中搜索头文件，或者希望它与你指定的库链接，可以使用编译器标志-I /foo/bar，来查找目录/foo/ bar中的头文件，使用-L /foo/bar标志来查找/foo/bar目录中的库。以这种方式指定的一个常用目录是“.”（称为“点”），它是UNIX中当前目录的简写。

请注意，-I标志应该针对编译，而-L标志针对链接。

E.5　分别编译一旦程序开始变得足够大，你可能希望将其拆分为单独的文件，分别编译每个文件，然后将它们链接在一起。例如，假设你有两个文件，hw.c和helper.c，希望单独编译它们，然后将它们链接在一起。

# we are using -Wall for warnings, -O for optimization prompt> gcc -Wall -O -c hw.cprompt> gcc -Wall -O -c helper.c prompt> gcc -o hw hw.o helper.o -lm-c标志告诉编译器只是生成一个目标文件——在本例中是名为hw.o和helper.o的文件。这些文件不是可执行文件，而只是每个源文件中代码的机器代码表示。要将目标文件组合成可执行文件，必须将它们“链接”在一起。这是通过第三行gcc -o hw hw.o helper.o）完成的。在这种情况下，gcc看到指定的输入文件不是源文件（.c），而是目标文件（.o），因此直接跳到最后一步，调用链接编辑器ld将它们链接到一起，得到单个可执行文件。由于它的功能，这行通常被称为“链接行”，并且可以指定特定的链接命令，例如-lm。类似地，仅在编译阶段需要的标志，诸如-Wall和-O，就不需要包含在链接行上，只是包含在编译行上。

当然，你可以在一行中为gcc指定所有C源文件（gcc -Wall -O -o hw hw.c helper.c），但这需要系统重新编译每个源代码文件，这个过程可能很耗时。通过单独编译每个源文件，你只需重新编译编辑修改过的文件，从而节省时间，提高工作效率。这个过程最好由另一个程序make来管理，我们接下来介绍它。

E.6　Makefile文件程序make让你自动化大部分构建过程，因此对于任何认真的程序（和程序员）来说，都是一个至关重要的工具。来看一个简单的例子，它保存在名为Makefile的文件。

要构建程序，只需输入：

prompt> make这会（默认）查找Makefile或makefile，将其作为输入（你可以用标志指定不同的makefile，阅读手册页，找出是哪个标志）。gmake是make的gnu版本，比传统的make功能更多，所以我们将在下面的部分中重点介绍它（尽管我们互换使用这两个词）。这些讨论大多数都基于gmake的info页面，要了解如何查找这些页面，请参阅“E.8文档”部分。另外请注意：在Linux系统上，gmake和make是一样的。

hw: hw.o helper.o gcc -o hw hw.o helper.o -lm　hw.o: hw.c gcc -O -Wall -c hw.c　helper.o: helper.c gcc -O -Wall -c helper.c　clean: rm -f hw.o helper.o hwMakefile基于规则，这些规则决定需要发生的事情。规则的一般形式是：

target: prerequisite1 prerequisite2 ... command1 command2 ...target（目标）通常是程序生成的文件的名称。目标的例子是可执行文件或目标文件。目标也可以是要执行的操作的名称，例如在我们的示例中为“clean”。

prerequisite（先决条件）是用于生成目标的输入文件。目标通常依赖于几个文件。例如，要构建可执行文件hw，需要首先构建两个目标文件：hw.o和helper.o。

最后，command（命令）是一个执行的动作。一条规则可能有多个命令，每个命令都在自己的行上。重要提示：必须在每个命令行的开头放一个制表符！如果你只放空格，make会打印出一些含糊的错误信息并退出。

通常，命令在具有先决条件的规则中，如果任何先决条件发生更改，就要重新创建目标文件。但是，为目标指定命令的规则不需要先决条件。例如，包含delete命令、与目标“clean”相关的规则中，没有先决条件。

回到我们的例子，在执行make时，大致工作如下：首先，看到目标hw，并且意识到要构建它，它必须具备两个先决条件，hw.o和helper.o。因此，hw依赖于这两个目标文件。然后，Make将检查每个目标。在检查hw.o时，看到它取决于hw.c。这是关键：如果hw.c最近被修改，但hw.o没有被创建，make会知道hw.o已经过时，应该重新生成。在这种情况下，会执行命令行gcc -O -Wall -c hw.c，生成hw.o。因此，如果你正在编译大型程序，make会知道哪些目标文件需要根据其依赖项重新生成，并且只会执行必要的工作来重新创建可执行文件。另外请注意，如果hw.o根本不存在，也会被创建。

继续，基于上面定义的相同标准，helper.o也会重新生成或创建。当两个目标文件都已创建时，make现在可以执行命令来创建最终的可执行文件，然后返回并执行以下操作：gcc -o hw hw.o helper.o -lm。

到目前为止，我们一直没提makefile中的clean目标。

要使用它，必须明确提出要求，键入以下代码：

prompt> make clean这会在命令行上执行该命令。因为clean目标没有先决条件，所以输入make clean将导致命令被执行。在这种情况下，clean目标用于删除目标文件和可执行文件，如果你希望从头开始重建整个程序，就非常方便。

现在你可能会想，“好吧，这似乎没问题，但这些makefile确实很麻烦！”你说得对——如果它们总是这样写的话。幸运的是，有很多快捷方式，让使用更容易。例如，这个makefile具有相同的功能，但用起来更好：

# specify all source files hereSRCS = hw.c helper.c# specify target here (name of executable)TARG = hw# specify compiler, compile flags, and needed libsCC = gccOPTS = -Wall -OLIBS = -lm# this translates .c files in src list to .o’sOBJS = $(SRCS:.c=.o)# all is not really needed, but is used to generate the targetall: $(TARG)# this generates the target executable$(TARG): $(OBJS) $(CC) -o $(TARG) $(OBJS) $(LIBS)# this is a generic rule for .o files%.o: %.c $(CC) $(OPTS) -c $< -o $@# and finally, a clean lineclean: rm -f $(OBJS) $(TARG)虽然我们不会详细介绍make语法，但如你所见，这个makefile可以让生活更轻松一些。例如，它允许你轻松地将新的源文件添加到构建中，只需将它们加入makefile顶部的SRCS变量即可。你还可以通过更改TARG行轻松更改可执行文件的名称，并且可以轻松修改指定编译器，标志和库。

关于make的最后一句话：找出目标的先决条件并非总是很容易，特别是在大型复杂程序中。毫不奇怪，有另一种工具可以帮助解决这个问题，称为makedepend。自己阅读它，看看是否可以将它合并到一个makefile中。

E.7　调试最后，在创建了良好的构建环境和正确编译的程序之后，你可能会发现程序有问题。解决问题的一种方法是认真思考——这种方法有时会成功，但往往不会。问题是缺乏信息。你只是不知道程序中到底发生了什么，因此无法弄清楚为什么它没有按预期运行。幸运的是，有某种帮助工具：gdb，GNU调试器。

将以下错误代码保存在buggy.c文件中，然后编译成可执行文件。

#include <stdio.h> struct Data { int x;};　intmain(int argc, char *argv[]){ struct Data *p = NULL; printf("%d\n", p->x);}在这个例子中，主程序在变量p为NULL时引用它，这将导致分段错误。当然，这个问题应该很容易通过检查来解决，但在更复杂的程序中，找到这样的问题并非总是那么容易。

要为调试会话做好准备，请重新编译程序，并确保将-g标志加入每个编译行。这让可执行文件包含额外的调试信息，这些信息在调试会话期间非常有用。另外，不要打开优化（-O）。尽管这可能也行，但在调试过程中也可能导致困扰。

使用-g重新编译后，你就可以使用调试器了。在命令提示符处启动gdb，如下所示：

prompt> gdb buggy这让你进入与调试器的交互式会话。请注意，你还可以使用调试器来检查在错误运行期间生成的“核心”文件，或者连上已在运行的程序。阅读文档以了解更多相关信息。

进入调试器后，你可能会看到以下内容：

(gdb) runStarting program: buggyProgram received signal SIGSEGV, Segmentation fault. 0x8048433 in main (argc=1, argv=0xbffff844) at buggy.cc:1919 printf("%d\n", p->x);从示例中可以看出，在这种情况下，gdb会立即指出问题发生的位置。在我们尝试引用p的行中产生了“分段错误”。这就意味着我们访问了一些我们不应该访问的内存。这时，精明的程序员可以检查代码，然后说“啊哈！肯定是p没有指向任何有效的地址，因此不应该引用！”，然后继续修复该问题。

但是，如果你不知道发生了什么，可能想要检查一些变量。gdb允许你在调试会话期间以交互方式执行此操作。

(gdb) print p1 = (Data *) 0x0通过使用print原语，我们可以检查p，并看到它是指向Data类型结构的指针，并且它当前设置为NULL（即零，即十六进制零，此处显示为“0x0”）。

最后，你还可以在程序中设置断点，让调试器在某个函数中停止程序。执行此操作后，单步执行（一次一行），看看发生了什么，这通常很有用。

(gdb) break mainBreakpoint 1 at 0x8048426: file buggy.cc, line 17. (gdb) runStarting program: /homes/hacker/buggy　Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffff844) at buggy.cc:1717 struct Data *p = NULL; (gdb) next19 printf("%d\n", p->x); (gdb)　Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault. 0x8048433 in main (argc=1, argv=0xbffff844) at buggy.cc:1919 printf("%d\n", p->x);在上面的例子中，在main()函数中设置了断点。因此，当我们运行程序时，调试器几乎立即停止在main执行。在示例中的该点处，发出“next”命令，它将执行下一行源代码级指令。“next”和“step”都是继续执行程序的有用方法——在文档中阅读，以获取更多详细信息[2]。

这里的讨论真的对gdb不公平，它是丰富而灵活的调试工具，有许多功能，而不只是这里有限篇幅中描述的功能。在闲暇之余阅读更多相关信息，你将成为一名专家。

E.8　文档要了解有关所有这些事情的更多信息，你必须做两件事：第一是使用这些工具；第二是自己阅读更多相关信息。了解更多关于gcc、gmake和gdb的一种方法是阅读它们的手册页。在命令提示符下输入man gcc、man gmake或man gdb。你还可以使用man -k在手册页中搜索关键字，但这并非总如人意。谷歌搜索可能是更好的方法。

关于手册页有一个棘手的事情：如果有多个名为×××的东西，输入man ×××可能不会得到你想要的东西。例如，如果你正在寻找kill()系统调用手册页，如果只是在提示符下键入man kill，会得到错误的手册页，因为有一个名为kill的命令行程序。手册页分为几个部分（section），默认情况下，man将返回找到的最低层部分的手册页，在本例中为第1部分。请注意，你可以通过查看页面的顶部来确定你看到的手册页：如果看到kill（2），就知道你在第2节的正确手册页中，这里放的是系统调用。有关手册页的每个不同部分中存储的内容，请键入man man以了解更多信息。另外请注意，man -a kill可用于遍历名为“kill”的所有手册页。

手册页对于查找许多内容非常有用。特别是，你经常需要查找要传递给库调用的参数，或者需要包含哪些头文件才能使用库调用。所有这些都在手册页中提供。例如，如果查找open()系统调用，你会看到：

SYNOPSIS #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>　 int open(const char *path, int oflag, /* mode_t mode */...);这告诉你包含头文件sys/types.h、sys/stat.h和fcntl.h，以便使用open调用。它还告诉你要传递给open的参数，即名为path的字符串和整数标志oflag，以及指定文件模式的可选参数。如果你需要链接某个库以使用该调用，这里也会告诉你。

需要一些努力才能有效使用手册页。它们通常分为许多标准部分。主体将描述如何传递不同的参数，以使函数具有不同的行为。

一个特别有用的部分是手册页的RETURN VALUES部分，它告诉你成功或失败时函数将返回什么。再次引用open()的手册页：

RETURN VALUES Upon successful completion, the open() function opens the file and return a non-negative integer representing the lowest numbered unused file descriptor. Otherwise, -1 is returned, errno is set to indicate the error, and no files are created or modified.因此，通过检查open的返回值，你可以看到是否成功打开。如果没有，open（以及许多标准库函数）会将一个名为errno的全局变量设置为一个值，来告诉你错误。有关更多详细信息，请参见手册页的ERRORS部分。

你可能还想做一件事，即查找未在手册页本身中指定的结构的定义。例如，gettimeofday()的手册页有以下概要：

SYNOPSIS #include <sys/time.h> int gettimeofday(struct timeval *restrict tp, void *restrict tzp);在这个页面中，你可以看到时间被放入timeval类型的结构中，但是手册页可能不会告诉你这个结构有哪些字段！（在这个例子中，它包含在内，但你可能并非总是如此幸运）因此，你可能不得不寻找它。所有包含文件都位于/usr/include目录下，因此你可以用grep这样的工具来查找它。例如，你可以键入：

prompt> grep ’struct timeval’ /usr/include/sys/*.h这让你在/usr/include/sys中以.h结尾的所有文件中查找该结构的定义。遗憾的是，这可能不一定有效，因为包含文件可能包括在别处的其他文件。

更好的方法是使用你可以使用的工具，即编译器。编写一个包含头文件time.h的程序，假设名为main.c。然后，使用编译器调用预处理器，而不是编译它。预处理器处理文件中的所有指令，例如#define指令和#include指令。为此，请键入gcc -E main.c。结果是一个C文件，其中包含所有需要的结构和原型，包括timeval结构的定义。

可能还有找到这些东西的更好方法：google。你应该总是google那些你不了解的东西——只要通过查找就可以学到很多东西，这令人惊奇！

info页面

info页面在寻找文档方面也非常有用，它为许多GNU工具提供了更详细的文档。你可以通过运行info程序或通过emacs（黑客的首选编辑器）执行Meta-x info来访问info页面。像gcc这样的程序有数百个标志，其中一些标志非常有用。gmake还有许多功能可以改善你的构建环境。最后，gdb是一个非常复杂的调试器。阅读man和info页面，尝试以前没有尝试过的功能，成为编程工具的强大用户。