1 makefile

1.1 makefile的基本规则

1.2 makefile工作原理

1.3 makefile中的变量

1.4 makefile函数

1.5 makefile的清理操作

2 gdb调试

2.1 gdb介绍

2.2 生成调试信息

2.3 启动gdb

2.4 显示源代码

3文件IO

3.1 C库IO函数的工作流程

3.2 C库函数与系统函数的关系

3.3 虚拟地址空间

3.4 pcb和文件描述符表

学习目标:

熟练使用规则编写简单的makefile文件

熟练使用makefile中的变量

熟练使用makefile中的函数

熟练掌握gdb相关调试命令的使用

了解概念: pcb和文件描述符,虚拟地址空间

熟练掌握Linux系统IO函数的使用

1 makefile

makefile文件中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就像一个Shell脚本一样, 其中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：Visual C++的nmake, Linux下GNU的make. 可见, makefile都成为了一种在工程方面的编译方法.

makefile文件中会使用gcc编译器对源代码进行编译, 最终生成可执行文件或者是库文件.

makefile文件的命名：makefile或者Makefile。

1.1 makefile的基本规则

makefile由一组规则组成,规则如下:

目标: 依赖

（tab）命令

makefile基本规则三要素：

目标: 要生成的目标文件
依赖: 目标文件由哪些文件生成
命令: 通过执行该命令由依赖文件生成目标

下面以具体的例子来讲解:

当前目录下有main.c fun1.c fun2.c sum.c, 根据这个基本规则编写一个简单的makefile文件, 生成可执行文件main.

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include "head.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("this is main!\n");
	int i = 0;
	for(i=0; i<argc; i++)
	{
		printf("[%d]:[%s]\n", i, argv[i]);
	}

    fun1();
    fun2();

	printf("sum(10)==[%d]\n", sum(10));

    return 0;
}

head.h

void fun1();
void fun2();
int sum(int len);

func1.c

#include <stdio.h>
void fun1()
{
    printf("this is fun1\n");	

}

func2.c

#include <stdio.h>

int sum(int len)
{
	int i = 0;
	int sum = 0;
	for(i=0; i<len; i++)
	{
		sum += i;
	}

	return sum;
}

makefile基本规则三要素：

目标: 要生成的目标文件
依赖: 目标文件由哪些文件生成
命令: 通过执行该命令由依赖文件生成目标

下面以具体的例子来讲解:

当前目录下有main.c fun1.c fun2.c sum.c, 根据这个基本规则编写一个简单的makefile文件, 生成可执行文件main

第一个版本的makefile:

main:main.c func1.c func1.c sum.c
	gcc -o main main.c func1.c func2.c sum.c -I ./

缺点: 效率低, 修改一个文件, 所有的文件会全部重新编译.

1.2 makefile工作原理

基本原则:

若想生成目标, 检查规则中的所有的依赖文件是否都存在:

如果有的依赖文件不存在, 则向下搜索规则, 看是否有生成该依赖文件的规则:

如果有规则用来生成该依赖文件, 则执行规则中的命令生成依赖文件;

如果没有规则用来生成该依赖文件, 则报错.

如果所有依赖都存在, 检查规则中的目标是否需要更新, 必须先检查它的所有依赖,依赖中有任何一个被更新, 则目标必须更新.(检查的规则是哪个时间大哪个最新)
若目标的时间 > 依赖的时间, 不更新,若目标的时间 < 依赖的时间, 则更新

总结：

分析各个目标和依赖之间的关系
根据依赖关系自底向上执行命令
根据依赖文件的时间和目标文件的时间确定是否需要更新
如果目标不依赖任何条件, 则执行对应命令, 以示更新(如:伪目标)

检查规则:
   要想生成目标文件, 先要检查依赖条件是否都存在:
       若都存在, 则比较目标时间和依赖的时间, 如果依赖的时候比目标的时间新,
       则重新生成目标; 否则不重新生成
       若不存在, 则往下找有没有生成依赖的规则, 有则生成, 如果没有则报错.

第二个版本:

main:main.o func1.o func2.o sum.o
	gcc -o main main.o func1.o func2.o sum.o

main.o:main.c
	gcc -c main.c -I./
func1.o:func1.c
	gcc -c func1.c
func2.o:func2.c
	gcc -c func2.c
sum.o:sum.c
	gcc -c sum.c

缺点: 冗余, 若.c文件数量很多, 编写起来比较麻烦.

1.3 makefile中的变量

在makefile中使用变量有点类似于C语言中的宏定义, 使用该变量相当于内容替换, 使用变量可以使makefile易于维护, 修改起来变得简单。

makefile有三种类型的变量:

普通变量
自带变量
自动变量

普通变量

变量定义直接用 =
使用变量值用 $(变量名)

如:下面是变量的定义和使用

foo = abc // 定义变量并赋值

bar = $(foo) // 使用变量, $(变量名)

定义了两个变量: foo、bar, 其中bar的值是foo变量值的引用。除了使用用户自定义变量, makefile中也提供了一些变量（变量名大写）供用户直接使用, 我们可以直接对其进行赋值：

CC = gcc #arm-linux-gcc

CPPFLAGS : C预处理的选项 -I

CFLAGS: C编译器的选项 -Wall -g -c

LDFLAGS : 链接器选项 -L -l

$@: 表示规则中的目标
$<: 表示规则中的第一个条件
$^: 表示规则中的所有条件, 组成一个列表, 以空格隔开, 如果这个列表中有重复的项则消除重复项。

特别注意：自动变量只能在规则的命令中使用.

模式规则

至少在规则的目标定义中要包含’%’, ‘%’表示一个或多个, 在依赖条件中同样可以使用’%’, 依赖条件中的’%’的取值取决于其目标:

比如: main.o:main.c fun1.o: fun1.c fun2.o:fun2.c, 说的简单点就是: xxx.o:xxx.c

makefile的第三个版本:

target=main
objects=main.o func1.o func2.o sum.o
CC=gcc
CPPFLAGS=-I./
$(target):$(objects)
	$(CC) -o $@ $^  #this is mingling
	             
%.o:%.c
	$(CC) -c $< $(CPPFLAGS)
# main.o:main.c
# 	$(CC) -c $< $(CPPFLAGS)
# func1.o:func1.c
# 	$(CC) -c $<
# func2.o:func2.c
# 	$(CC) -c $<
# sum.o:sum.c
# 	$(CC) -c $<

变量:
       自定义变量: var = hello, $(var)
       自带变量: CC CPPFLAGS CFLAGS LDFLAGS
       自动变量: $@ $< $^
   模式规则:
       %.o:%.c------> 前后的%必须是相同

1.4 makefile函数

makefile中的函数有很多, 在这里给大家介绍两个最常用的。

wildcard – 查找指定目录下的指定类型的文件

src=$(wildcard *.c) //找到当前目录下所有后缀为.c的文件,赋值给src

patsubst – 匹配替换

obj=$(patsubst %.c,%.o, $(src)) //把src变量里所有后缀为.c的文件替换成.o

在makefile中所有的函数都是有返回值的。

当前目录下有main.c fun1.c fun2.c sum.c

src=$(wildcard *.c) 等价于src=main.c fun1.c fun2.c sum.c

obj=$(patsubst %.c,%.o, $(src))等价于obj=main.o fun1.o fun2.o sum.o

makefile的第四个版本:

target=main
src=$(wildcard *.c)
objects=$(patsubst %.c,%.o,$(src))
CC=gcc
CPPFLAGS=-I./
$(target):$(objects)
	$(CC) -o $@ $^  
	             
%.o:%.c
	$(CC) -c $< $(CPPFLAGS)

缺点: 每次重新编译都需要手工清理中间.o文件和最终目标文件

1.5 makefile的清理操作

用途: 清除编译生成的中间.o文件和最终目标文件

make clean 如果当前目录下有同名clean文件,则不执行clean对应的命令, 解决方案：

伪目标声明:

.PHONY:clean

声明目标为伪目标之后, makefile将不会检查该目标是否存在或者该目标是否需要更新
clean命令中的特殊符号：

“-”此条命令出错,make也会继续执行后续的命令。如:“-rm main.o”

rm -f: 强制执行, 比如若要删除的文件不存在使用-f不会报错

“@”不显示命令本身, 只显示结果。如:“@echo clean done”
其它

– make 默认执行第一个出现的目标, 可通过make dest指定要执行的目标

– make -f : -f执行一个makefile文件名称, 使用make执行指定的makefile: make -f mainmak

makefile的第5个版本:

target=main
src=$(wildcard *.c)
objects=$(patsubst %.c,%.o,$(src))
CC=gcc
CPPFLAGS=-I./
$(target):$(objects)
	$(CC) -o $@ $^  
	             
%.o:%.c
	$(CC) -c $< $(CPPFLAGS)

.PHONY:clean
clean:
	rm -f $(objects) $(target)

多个makefile 可以将之前的makefile 起一个别名，如mainmake 此时使用

make -f mainmake 即可

在makefile的第5个版本中, 综合使用了变量, 函数, 模式规则和清理命令, 是一个比较完善的版本.

增加清理功能.
   终极目标: makefile文件中第一次出现的目标叫做终极目标
   .PHONY:clean
   clean:
       rm -f ....

   使用-f可以指定makefile文件, 如: make -f mainmak

2 gdb调试

2.1 gdb介绍

GDB（GNU Debugger）是GCC的调试工具。其功能强大, 现描述如下：

GDB主要帮忙你完成下面四个方面的功能：

启动程序, 可以按照你的自定义的要求随心所欲的运行程序。
可让被调试的程序在你所指定的断点处停住。（断点可以是条件表达式）
当程序被停住时, 可以检查此时你的程序中所发生的事。
动态的改变你程序的执行环境。

2.2 生成调试信息

一般来说GDB主要调试的是C/C++的程序。要调试C/C++的程序, 首先在编译时, 我们必须要把调试信息加到可执行文件中。使用编译器（cc/gcc/g++）的 -g 参数可以做到这一点。如：

gcc -g hello.c -o hello

如果没有-g, 你将看不见程序的函数名、变量名, 所代替的全是运行时的内存地址。当你用-g把调试信息加入之后, 并成功编译目标代码以后, 让我们来看看如何用gdb来调试他。

2.3 启动gdb

启动gdb：gdb program

program 也就是你的执行文件, 一般在当前目录下。

设置运行参数
1. set args 可指定运行时参数。（如：set args 10 20 30 40 50 ）
2. show args 命令可以查看设置好的运行参数。
启动程序
1. run：程序开始执行, 如果有断点, 停在第一个断点处
2. start：程序向下执行一行。(在第一条语句处停止)

2.4 显示源代码

GDB 可以打印出所调试程序的源代码, 当然, 在程序编译时一定要加上-g的参数, 把源程序信息编译到执行文件中。不然就看不到源程序了。当程序停下来以后, GDB会报告程序停在了那个文件的第几行上。你可以用list命令来打印程序的源代码, 默认打印10行, list命令的用法如下所示:

list linenum：打印第linenum行的上下文内容.
list function：显示函数名为function的函数的源程序。
list：显示当前行后面的源程序。
list -：显示当前文件开始处的源程序。
list file:linenum: 显示file文件下第n行
list file:function: 显示file文件的函数名为function的函数的源程序

一般是打印当前行的上5行和下5行, 如果显示函数是是上2行下8行, 默认是10行, 当然, 你也可以定制显示的范围, 使用下面命令可以设置一次显示源程序的行数。

set listsize count：设置一次显示源代码的行数。
show listsize：查看当前listsize的设置。

2.5 设置断点

简单断点—当前文件

break 设置断点, 可以简写为b

b 10 设置断点, 在源程序第10行
b func 设置断点, 在func函数入口处

多文件设置断点---其他文件

在进入指定函数时停住:

b filename:linenum --在源文件filename的linenum行处停住
b filename:function --在源文件filename的function函数的入口处停住

查询所有断点

info b == info break == i break == i b

条件断点

一般来说, 为断点设置一个条件, 我们使用if关键词, 后面跟其断点条件。设置一个条件断点：

b test.c:8 if intValue == 5

维护断点

delete [range...] 删除指定的断点, 其简写命令为d。
1. 如果不指定断点号, 则表示删除所有的断点。range表示断点号的范围（如：3-7）。
  1. 删除某个断点: delete num
  2. 删除多个断点: delete num1 num2 ...
  3. 删除连续的多个断点: delete m-n
  4. 删除所有断点: delete
2. 比删除更好的一种方法是disable停止点, disable了的停止点, GDB不会删除, 当你还需要时, enable即可, 就好像回收站一样。
disable [range...] 使指定断点无效, 简写命令是dis。

如果什么都不指定, 表示disable所有的停止点。

1. 1. 使一个断点无效/有效: disable num
  2. 使多个断点无效有效: disable num1 num2 ...
  3. 使多个连续的断点无效有效: disable m-n
  4. 使所有断点无效有效: disable
enable [range...] 使无效断点生效, 简写命令是ena。

如果什么都不指定, 表示enable所有的停止点。

1. 1. 使一个断点无效/有效: enable num
  2. 使多个断点无效有效: enable num1 num2 ...
  3. 使多个连续的断点无效有效: enable m-n
  4. 使所有断点无效有效: disable/enable

2.6 调试代码

run 运行程序, 可简写为r
next 单步跟踪, 函数调用当作一条简单语句执行, 可简写为n
step 单步跟踪, 函数调进入被调用函数体内, 可简写为s
finish 退出进入的函数, 如果出不去, 看一下函数体中的循环中是否有断点，如果有删掉，或者设置无效
until 在一个循环体内单步跟踪时, 这个命令可以运行程序直到退出循环体,可简写为u,

如果出不去, 看一下函数体中的循环中是否有断点，如果有删掉，或者设置无效

continue 继续运行程序, 可简写为c(若有断点则跳到下一个断点处)

2.7 查看变量的值

查看运行时变量的值

print 打印变量、字符串、表达式等的值, 可简写为p

p count -----打印count的值

自动显示变量的值

你可以设置一些自动显示的变量, 当程序停住时, 或是在你单步跟踪时, 这些变量会自动显示。相关的GDB命令是display。

display 变量名
info display -- 查看display设置的自动显示的信息。
undisplay num（info display时显示的编号）
delete display dnums… -- 删除自动显示, dnums意为所设置好了的自动显式的编号。如果要同时删除几个, 编号可以用空格分隔, 如果要删除一个范围内的编号, 可以用减号表示（如：2-5）

删除某个自动显示: undisplay num 或者delete display num
删除多个: delete display num1 num2
删除一个范围: delete display m-n

disable display dnums…

使一个自动显示无效: disable display num
使多个自动显示无效: delete display num1 num2
使一个范围的自动显示无效: delete display m-n

enable display dnums…
1. 使一个自动显示有效: enable display num
2. 使多个自动显示有效: enable display num1 num2
3. 使一个范围的自动显示有效: enable display m-n
disable和enalbe不删除自动显示的设置, 而只是让其失效和恢复。

查看修改变量的值

ptype width --查看变量width的类型

type = double

p width --打印变量width 的值

$4 = 13

你可以使用set var命令来告诉GDB, width不是你GDB的参数, 而是程序的变量名, 如：

set var width=47 // 将变量var值设置为47

在你改变程序变量取值时, 最好都使用set var格式的GDB命令。

3文件IO

从本章开始学习各种Linux系统函数, 这些函数的用法必须结合Linux内核的工作原理来理解, 因为系统函数正是内核提供给应用程序的接口, 而要理解内核的工作原理, 必须熟练掌握C语言, 因为内核也是用C语言写的, 我们在描述内核工作原理时必然要用“指针”、“结构体”、“链表”这些名词来组织语言, 就像只有掌握了英语才能看懂英文书一样, 只有学好了C语言才能看懂我描述的内核工作原理。