Linux系统编程入门（上）

网络编程系列文章：

第1章 Linux系统编程入门（上）
第1章 Linux系统编程入门（下）

第2章 Linux多进程开发（上）
第2章 Linux多进程开发（下）

第3章 Linux多线程开发

第4章 Linux网络编程

• 4.1 网络基础
• 4.2 socket 通信基础
• 4.3 TCP套接字通信
• 4.4 IO多路复用
• 4.5 UDP 通信

第5章 Web服务器

第一章 Linux系统编程入门（上）

1.1 GCC

• GCC 原名为 GNU C 语言编译器（ GNU C Compiler)
• GCC ( GNU Compiler Collection， GNU 编译器套件）是由 GNU 开发的编程语言译器。 GNU 编译器套件包括 C 、 C++ 、 Objective-C 、 Java 、 Ada 和 Go 语言前端，也包括了这些语言的库（如 libstdc++，libgcj 等）
• GCC 不仅支持 C 的许多“方言”，也可以区别不同的 C 语言标准；可以使用命令行选项来控制编译器在翻译源代码时应该遵循哪个 C 标准。例如，当使用命令行参数 std=c99 启动 GCC 时，编译器支持 C99 标准。
• 安装命令 sudo apt install gcc g++ （版本 > 4.8.5)
• 查看版本 gcc/g++ -v/--version

编程语言的发展

GCC 工作流程

gcc 和 g++ 的区别

• gcc 和 g++ 都是 GNU( 组织 ) 的一个编译器。
• 误区一： gcc 只能编译 c 代码， g++ 只能编译 c++ 代码。两者都可以，请注意：
  • 后缀为 .c 的， gcc 把它当作是 C 程序，而 g++ 当作是 c++ 程序
  • 后缀为 .cpp 的，两者都会认为是 C++ 程序， C++ 的语法规则更加严谨一些
  • 编译阶段， g++ 会调用 gcc ，对于 C++ 代码，两者是等价的，但是因为 gcc 命令不能自动和 C++ 程序使用的库联接，所以通常用 g++ 来完成链接，为了统 一起见，干脆编译/链接统统用 g++ 了，这就给人一种错觉，好像 cpp 程序只能用 g++ 似的
• 误区二： gcc 不会定义 __cplusplus 宏，而 g++ 会
  • 实际上，这个宏只是标志着编译器将会把代码按 C 还是 C++ 语法来解释
  • 如上所述，如果后缀为 .c ，并且采用 gcc 编译器，则该宏就是未定义的，否则，就是已定义
• 误区三：编译只能用 gcc ，链接只能用 g++
  • 严格来说，这句话不算错误，但是它混淆了概念，应该这样说：编译可以用 gcc/g++ ，而链接可以用 g++ 或者 gcc lstdc++ 。
  • gcc 命令不能自动和 C++ 程序使用的库联接，所以通常使用 g++ 来完成联接。 但在编译阶段， g++ 会自动调用 gcc ，二者等价

GCC 常用参数选项

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# 1. 将test.c文件预处理为test.i文件
gcc test.c -E -o test.i

# 2. 编译，生成test.s文件
gcc test.i -S -o test.s

# 3. 汇编，生成test.o文件
gcc test.s -s -o test.o

# 4. 执行
./test.o

# 也可以直接运行下面代码，生成 test.o文件
gcc test.c

1.2 静态库

（1）什么是库

• 库文件是计算机上的一类文件，可以简单的把库文件看成一种代码仓库，它提供给使用
  者一些可以直接拿来用的变量、函数 或 类。

• 库是特殊的一种程序，编写库的程序和编写一般的程序区别不大，只是库不能单独运行。

• 库文件有两种，静态库 和 动态库（共享库），区别是：

  • 静态库在程序的 链接阶段被复制到了程序中；
  • 动态库在 链接阶段 没有 被复制到程序中，而是程序在 运行 时由系统动态加载到内存中供程序调用。

• 库的好处：

  • 代码保密
  • 方便部署和分发

（2）静态库的制作

• 命名规则：
  • Linux : libxxx.a
    lib : 前缀（固定）
    xxx : 库的名字，自己起
    .a : 后缀（固定）
  • Windows : libxxx.lib
• 静态库的制作：
  • gcc 获得 .o 文件
  • 将 .o 文件打包，使用 ar 工具（archive)
    ar rcs libxxx.a xxx.o xxx.o
r：将文件插入备存文件中
    c：建立备存文件
    s：索引

# 1. 编译汇编（不链接）获得 `.o` 文件
gcc -c add.c div.c mult.c sub.c

# 2. 将 .o 文件打包
ar rcs libcalc.a add.o sub.o mult.o div.o

（3）静态库的使用

gcc main.c -o app -I ./include/ -l calc -L ./lib/

1.3 动态库

（1）动态库的制作

• 命名规则：

  • Linux : libxxx.so
    lib : 前缀（固定）
    xxx : 库的名字，自己起
    .so : 后缀（固定）
  • Windows : libxxx.dll

• 动态库的制作：

  • gcc 获得 .o 文件，得到和位置无关的代码

    gcc -c -fpic/-fPIC a.c b.c
    

    -fpic 用于编译阶段，产生的代码没有绝对地址，全部用 相对地址，这正好满足了共享库的要求，共享库被加载时地址不是固定的。如果不加 -fpic ，那么生成的代码就会与位置有关，当进程使用该 .so 文件时都需要重定位，且会产生成该文件的副本，每个副本都不同，不同点取决于该文件代码段与数据段所映射内存的位置。

  • gcc 得到动态库

    gcc -shared a.o b.o -o libcalc.so
    

    

（2）动态库的使用

gcc main.c -o main -I ./include/ -l calc -L ./lib/ 

# 运行，会报错，找不到共享库
./main
# error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

工作原理

• 静态库： GCC 进行链接时，会把静态库中代码 打包到 可执行程序中

• 动态库： GCC 进行链接时，动态库的代码 不会被打包 到可执行程序中

• 程序启动 之后，动态库 会被 动态加载 到内存中，通过 ldd (list dynamic dependencies ）命令检查动态库依赖关系

  

• 如何定位共享库文件呢？
      当系统加载可执行代码时候，能够知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道 绝对路径。此时就需要系统的 动态载入器 来获取该绝对路径。对于 elf 格式的可执行程序，是由 ld-linux.so 来完成的，它先后搜索 elf 文件的

  • DT_RPATH 段(无法修改) —> 环境变量 LD_LIBRARY_PATH—> /etc/ld.so.cache 文件列表 —> /lib/，/usr/lib 目录找到库文件后将其载入内存。

（3）解决动态库加载失败问题

修改上面的搜索路径

a. 修改环境变量 LD_LIBRARY_PATH

• 临时配置

  • 在终端直接配置。（关闭当前会话框，将失效）

    # 原来的拼接上动态库的绝对路径
    export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/rmzh/projects/Linux/lesson04/library/lib
    

    

• 永久配置

  • 用户级配置

    # 修改 ~/.bashrc 文件
    vim ~/.bashrc
    
    # 在最后面加入:
    export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/rmzh/projects/Linux/lesson04/library/lib
    
    # 保存退出后，使生效
    source ~/.bashrc
    

    

  • 系统级别

    # 修改 /etc/profile 文件
    sudo vim /etc/profile
    
    # 在最后面加入:
    export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/rmzh/projects/Linux/lesson04/library/lib
    
    # 保存退出后，使生效
    source /etc/profile
    

b. 修改 /etc/ld.so.cache 文件

• 该文件是二进制文件，不能直接修改，可以间接修改。

  # 修改 /etc/ld.so.conf 文件
  sudo vim /etc/ld.so.conf
  
  # 加入:
  /home/rmzh/projects/Linux/lesson04/library/lib
  
  # 保存退出后，更新生效
  sudo ldconfig
  

c. 将动态库文件放到 / lib/，/usr/lib/ 目录下

• 不推荐使用！
• 因为这两个目录下本身就包含系统自带的库文件，可能名称会用相同，会覆盖系统文件。

1.4 静态库与动态库的对比

（1）程序编译成可执行程序的过程

• 预处理：头文件展开、删除注释、宏的替换
• 编译：编译成汇编代码
• 汇编：汇编成目标代码
• 链接：处理静态库和动态库，链接成可执行文件

（2）静态库制作过程

（3）动态库制作过程

（4）静态库的优缺点

优点	缺点
静态库被打包到应用程序中加载速度快	消耗系统资源，浪费内存
发布程序无需提供静态库，移植方便	更新、部署、发布麻烦

（5）动态库的优缺点

优点	缺点
可以实现进程间资源共享（共享库）	加载速度比静态库慢
更新、部署、发布简单	发布程序时需要提供依赖的动态库
可以控制何时加载动态库

库比较小 的话使用 静态库，比较大 就使用 动态库。

1.5 Makefile

（1）什么是 Makefile

• 一个工程中的源文件不计其数，其按类型、功能、模块分别放在若干个目录中，Makefile 文件 定义了 一系列的规则 来指定哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更复杂的功能操作，因为 Makefile 文件就像一个 Shell 脚本 一样，也可以执行操作系统的命令。
• Makefile 带来的好处就是 “自动化编译”，一旦写好，只需要一个 make 命令，整个工程完全自动编译，极大的提高了软件开发的效率。 make 是一个命令工具，是一个解释 Makefile 文件中指令的命令工具，一般来说，大多数的 IDE 都有这个命令，比如 Delphi 的 make， Visual C++ 的 nmake， Linux 下 GNU 的 make 。

（2）Makefile 文件命名和规则

• 文件命名
  makefile 或者 Makefile

• Makefile 规则

  • 一个 Makefile 文件中可以有一个或者多个规则
    目标 … : 依赖 …
    命令（Shell 命令）
    …
    • 目标：最终要生成的文件（伪目标除外）
    • 依赖：生成目标所需要的文件或是目标
    • 命令：通过执行命令对依赖操作生成目标（命令前必须 Tab 缩进）
  • Makefile 中的其它规则一般都是为 第一条规则 服务的。

• 例如：

  # 创建 Makefile 文件
  vim Makefile
  
  # 添加以下内容（第一种）
  app:add.c sub.c mult.c div.c main.c
  	gcc add.c sub.c mult.c div.c main.c -o app
  
  # 保存退出，输入make
  make
  

  

（3）工作原理

• 命令在执行之前，需要先检查规则中的 依赖是否存在

  • 如果存在，执行命令

  • 如果不存在，向下检查其它的规则，检查有没有一个规则是用来生成这个依赖的，
    如果找到了，则执行该规则中的命令

    # 第二种
    # 该效率优于第一种，如果其中一个依赖改变，只需编译这一个即可
    
    app:add.o sub.o mult.o div.o main.o
    	gcc add.o sub.o mult.o div.o main.o -o app
    	
    add.o:add.c
    	gcc -c add.c -o add.o
    
    sub.o:sub.c
    	gcc -c sub.c -o sub.o
    	
    mult.o:mult.c
    	gcc -c mult.c -o mult.o
    	
    div.o:div.c
    	gcc -c div.c -o div.o
    	
    main.o:main.c
    	gcc -c main.c -o main.o
    

• 检测更新，在执行规则中的命令时，会比较目标和依赖文件的时间（修改更新的时间）

  • 如果 依赖的时间 比 目标的时间 晚，需要重新生成目标
  • 如果 依赖的时间 比 目标的时间 早，目标不需要更新，对应规则中的命令不需要被执行。

（4）变量

• 自定义变量
  • 变量名 = 变量值 ： var=hello
• 预定义变量
  • AR : 归档维护程序的名称，默认值为 ar
  • CC : C 编译器的名称，默认值为 cc
  • CXX : C++编译器的名称，默认值为 g++
  • $@ : 目标的完整名称
  • $< : 第一个依赖文件的名称
  • $^ : 所有的依赖文件
• 获取变量的值
  $(变量名) : $(var)

app:main.c a.c b.c
	gcc -c main.c a.c b.c

# 自动变量只能在规则的命令中使用
app:main.c a.c b.c
	$(CC) -c $^ -o $@
	
# 定义变量
src=add.o sub.o mult.o div.o main.o
target=app
$(target):$(src)
	$(CC) $(src) -o $(target)

（5）模式匹配

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

sub.o:sub.c
	gcc -c sub.c
	
mult.o:mult.c
	gcc -c mult.c
	
div.o:div.c
	gcc -c div.c
	
main.o:main.c
	gcc -c main.c

• %.o:%.c
  • % : 通配符，匹配一个字符串
  • 两个 %匹配的是同一个字符串

# 上面的5种都能匹配
%.o:%.c
        gcc -c $< -o $@

（6）函数

• $(wildcard PATTERN...)

  • 功能：获取指定目录下指定类型的文件列表

  • 参数：wildcard 为函数名，PATTERN 指的是某个或多个目录下的对应的某种类型的文件，如果有多个目录，一般使用空格间隔

  • 返回：得到的若干个文件的文件列表，文件名之间使用空格间隔

  • 示例：
    $(wildcard *.c ./sub/*.c)
    返回值格式: a.c b.c c.c d.c e.c f.c

    # add.c sub.c mult.c div.c main.c
    src=$(wildcard ./*.c)
    

• $(patsubst <pattern>, <replacement>, <text>)

  • 功能：查找 <text> 中的单词 (单词以“空格”、“ Tab” 或 “回车” “换行”分隔) 是否符合 模式 <pattern>，如果匹配的话，则以 <replacement> 替换。

  • <pattern> 可以包括通配符 %，表示任意长度的字串。如果 <replacement>中也包含 %，那么 ， <replacement> 中的这个 %将是 <pattern> 中的那个 %所代表的字串。 (可以用 \ 来转义，以 \% 来表示真实含义的 % 字符)

  • 返回：函数返回被替换过后的字符串

  • 示例：
    $(patsubst %.c, %.o, x.c bar.c)
    返回值格式: x.o bar.o

    # 第二种
    # add.c sub.c mult.c div.c main.c
    src=$(wildcard ./*.c)
    objs=$(patsubst %.c, %.o, $(src))
    target=app
    $(target):$(objs)
            $(CC) $(objs) -o $(target)
    
    %.o:%.c
            gcc -c $< -o $@
            
    # 删除.o文件
    # 伪目标
    .PHONY:clean
    clean:
    		rm $(objs) -f
    # make调用在终端输入：make clean
    

    

注：仅供学习参考，如有不足，欢迎指正！