嵌入式系统及应用Linux学习笔记（三）— GCC/G++编译器与调试器

Linux GCC/G++编译器与调试器

GCC/G++编译器

• 目前Linux下最常用的C语言编译器是GCC（GNU Compiler Collection），它是Linux平台编译器的事实标准。
• GCC是GNU项目中符合ANSI C标准的编译系统，能够编译用C、C++和Object C等语言编写的程序。
• GCC之所以被广泛采用，还因为它能支持各种不同的目标体系结构。它既支持基于宿主的开发，也支持交叉编译。
• 目前，GCC支持的体系结构有四十余种，常见的有X86系列、ARM、PowerPC等。同时，GCC还能运行在不同的操作系统上，如Linux、Solaris、Windows等。
• 开发者通常选择GCC来编译C语言编写的源代码，选择G++来编译C++源代码。

GCC简介

使用GCC编译程序时，编译过程可以被细分为四个阶段：

• （1）预处理（Pre-Processing）
• （2）编译（Compiling）
• （3）汇编（Assembling）
• （4）链接（Linking）

在这四个阶段中可以设置选项分别生成扩展名分别为“.i”、“.s”、“.o”的文件，以及最终可执行文件，各扩展名文件含义如下：

• .c：最初的c源代码文件。
• .i：经过编译预处理的源代码。
• .s：汇编处理后的汇编代码。
• .o：编译后的目标文件，含有最终编译出的机器码，但它里面所引用的其他文件中函数的内存位置尚未定义

下面以程序hello.c为例具体看一下GCC是如何完成以上四个步骤的，程序hello.c源代码如下所示。

#include<stdio.h>
int main(void)
{
   printf("Hello World!/n");
   return 0;
}

（1）预处理阶段

• 在该阶段，编译器将上述代码中的stdio.h编译进来。GCC首先调用cpp进行预处理，根据以字符#开头的命令修改原始的C程序。
• 如hello.c中的指令#include
  <stdio.h>告诉预处理器读系统头文件stdio.h的内容，并把它直接插入到程序文本中去，结果就得到经过编译预处理的源代码hello.i。

（2）编译阶段

• GCC调用ccl检查代码的规范性，是否有语法错误等，以确定代码实际要做的工作，在检查无误后，把代码翻译成汇编语言，生成汇编处理后的汇编代码hello.s。这个阶段对应的GCC命令如下所示。

$gcc -S  hello.i  -o  hello.s  

（3）汇编阶段

• GCC调用as把编译阶段生成的hello.s文件转成编译后的目标文件hello.o，但hello.c中所引用的其他文件中函数（如printf）的内存位置尚未定义。这个阶段对应的GCC命令如下所示：

  $gcc  -c  hello.s  -o  hello.o

（4）链接阶段

• GCC调用ld将程序的目标文件与所需的所有附加的目标文件连接起来，最终生成可执行文件。如GCC找到hello.c所调用的函数printf函数库所在位置/user/lib，把函数的实现链接进来，生成最终的可执行文件hello，可以利用下面的命令完成。

 $gcc hello.o -o hello 

GCC的使用

格式：gcc [选项|文件]…
（1）总体选项

（2）链接选项

（3）警告选项

示例：
（1）编译当前目录下的文件helloworld.c。

  $gcc  helloworld.c

该命令将helloworld.c文件预处理、汇编、编译并链接形成可执行文件。这里未指定输出文件，默认输出为a.out，a.out为可执行程序文件名。

（2）将当前目录下的文件helloworld.c编译成名为helloworld的可执行文件。

  $gcc  –o  helloworld  helloworld.c

（3）将当前目录下的文件helloworld.c编译为汇编语言文件。

   $gcc  –S  helloworld.c 

该命令生成helloworld.c的汇编文件helloworld.s，使用的是AT&T汇编。

（4）将文件testfun.c 和文件test.c 编译成目标文件test
方法1：

 $gcc  testfun.c  test.c  -o  test

方法2：

 $gcc  -c  testfun.c         //将testfun.c编译成testfun.o
    $gcc  -c  test.c             //将test.c编译成test.o
    $gcc    testfun.o  test.o  -o  test     //将testfun.o和test.o链接成test

（5）编译当前目录下的程序bad.c，同时查看编译过程中所有报警信息。
程序bad.c的源码如下所示。

#include <stdio.h> 
int main (void) 
{ 
   printf ("Two plus two is %f\n", 4); 
   return 0; 
}

程序调试工具gdb

gdb是Linux系统中一个功能强大的GNU调试程序，它可以调试C和C++程序，使程序开发者在程序运行时观察程序的内部结构和内存的使用情况。gdb提供如下功能：

• （1）运行程序，设置所有的能影响程序运行的参数和环境。
• （2）控制程序在指定的条件下停止运行。
• （3）当程序停止时，可以检查程序的状态。
• （4）修改程序的错误，并重新运行程序。
• （5）动态监视程序中变量的值。
• （6）可以单步逐行执行代码，观察程序的运行状态。
• （7）分析崩溃程序产生的core文件。

1．启动gdb
要使用gdb调试程序，首先在编译时，必须把调试信息加到可执行文件中，可通过使用编译器gcc的 -g 参数完成。
如：$gcc -g hello.c -o hello

GDB常用调试命令

启动gdb的方法有以下四种：
（1）gdb
（2）gdb <program>
（3）gdb <program> core
gdb同时调试可执行程序program和文件core，文件core是程序崩溃时产生的文件，仅仅是一个内存映象（加上调试信息)，主要是用来调试的。
（4）gdb <program> <PID>
PID是程序运行时的进程号，gdb会自动绑定到该进程上，并调试。

显示调试程序的源代码

gdb可以用list（list指令可简写为l）命令来显示程序的源代码，其方法有如下几种：
（1）格式：list [file:]linenum
说明：显示程序file中的第linenum行周围的源代码。
（2）格式：list [file:]function
说明：显示程序file中的函数名为function的函数的源代码。
（3）格式：list
说明：显示当前行后面的源代码。
（4）格式：list –
说明：显示当前行前面的源代码。
（5）格式：list start，end
说明：显示从行号start到end之间的代码行。默认情况下，list命令显示10行代码。

监视及更改变量值

gdb可用print (print 指令可简写为 p)命令来监视及更改变量值。
格式：

• print exp
  说明：显示或改变表达式exp的值，exp是符合所用编程语言语法规则的表达式，如调试c语言编写的程序，则exp符合c语言的语法规则。

示例：
（1）显示变量a的内容。
(gdb) print a
（2）显示变量a的长度。
(gdb) print sizeof(a)
（3）将变量a的值设定为 10。
(gdb) print (a=10)

控制程序的执行

调试程序过程中，经常需要暂停程序的运行，以便查看某些变量值的变化，及程序运行的流程。gdb可以方便地暂停程序的运行，常用的有以下几种暂停方式：断点（BreakPoint）、观察点（WatchPoint）、捕捉点（CatchPoint）。如要恢复程序运行，可以使用c命令或是continue命令。

设置和显示断点（BreakPoint）

gdb用break命令来设置断点，设置断点的方法有如下几种：
（1）格式：break <function>
说明：将程序在进入指定函数function时停住，function为函数名。
（2）格式：break <linenum>
说明：将程序在指定行号linenum停住，linenum为行号。
（3）格式：break +offset 或break -offset
说明：将程序在当前行号的前面或后面的offset行停住，offiset为自然数。
（4）格式：break filename:linenum
说明：将程序在源文件filename的行号linenum处停住，filename为源文件名，linenum 为行号。
（5）格式：break filename:function
说明：将程序在源文件filename的function函数的入口处停住，filename为源文件名，function为函数名。
（6）格式：break *address
说明：将程序在运行的内存地址address处停住，address为程序运行的内存地址。
（7）格式：break
说明：将程序在下一条指令处停住。
（8）格式：break ... if <condition>
说明：将程序在条件condition成立停住，…表示上述的参数。
（9）格式：info breakpoints 说明：显示程序设置的所有断点。

设置和显示观察点（WatchPoint）

观察点一般来观察某个表达式（变量也是一种表达式）的值是否有变化，如果有变化，马上停住程序。设置观察点的方法有以下几种：
（1）格式：watch <expr>
说明：为表达式expr设置一个观察点，当表达式的值有变化时，停住程序。
( 2）格式：rwatch <expr>
说明：为表达式expr设置一个观察点，当表达式的值被读时，停住程序。
（3）格式：awatch <expr>
说明：为表达式expr设置一个观察点，当表达式的值被读或被写时，停住程序。

可使用info命令显示程序中设置了哪些观察点，命令如下所示。
格式：info watchpoints
说明：显示程序设置的所有观察点。

设置捕捉点（CatchPoint）

在程序运行过程中，当发生了某些事件，如动态链接库加载、暂停程序运行等，可设置捕捉点来捕捉这些事件，暂停程序运行。用户可对事件作出分析判断，并采取相应措施。设置捕捉点命令如下所示。
格式：catch <event>
说明：将程序在事件event发生时停住

维护停止点

 在gdb中，可以使用delete、clear、disable、enable这几个命令进行维护。

（1）格式：clear
说明：清除所有的已定义的停止点。
（2）格式：clear <function>或clear <filename:function>
说明：清除所有设置在函数function上的停止点，或清除所有设置在源文件filename中函数function上的停止点。
（3）格式：clear <linenum>或clear <filename:linenum>
说明：清除所有设置在指定行linenum上的停止点，或清除所有设置在源文件filename中指定行linenum上的停止点。
linenum为行号，filename为源文件名。
（4）格式：delete [breakpoints] [range...]
说明：删除指定的断点。breakpoints为断点号，如果不指定断点号，表示删除所有的断点
（5）格式：disable [breakpoints] [range...]
说明：停用指定的断点。breakpoints为断点号，如果不指定断点号，表示停用所有的断点。停用的断点，gdb不会删除，需要时利用enable命令**即可，简写命令是dis。
（6）格式：enable [breakpoints] [range...]
说明：**指定的断点，breakpoints为断点号，如果不指定断点号，表示**所有的断点。range 表示断点号的范围

为停止点设定运行命令

使用gdb提供的command命令可设置停止点的运行命令。
格式：

commands [bnum] ... command-list ... end

说明：为断点号bnum指写一个命令列表command-list，当程序停在该断点时，gdb会依次运行命令列表中的命令。bnum为断点号，command-list为执行的命令列表。

程序运行和单步调试

设置好停止点后，就可以使用run命令运行程序。
格式：(gdb) run
说明：该命令表示从程序开头执行程序，直到遇到断点或是程序执行完毕为止。
程序被停住，可用continue命令恢复程序的运行直到程序结束，或下一个断点到来。
（1）格式：

continue  [ignore-count]
c        [ignore-count]
fg       [ignore-count]

说明：continue，c，fg三个命令功能基本相同。恢复程序运行，直到程序结束，或是下一个断点到来。ignore-count表示忽略其后的断点次数。

（2）格式：step <count>
说明：单步跟踪，count表示执行后面的count条指令后再停住，省略表示一条条执行。如果有函数调用，会进入该函数。进入函数的前提是，此函数被编译有debug信息。
（3）格式：next <count>
说明：单步跟踪，count表示执行后面的count条指令后再停住，省略表示一条条执行。如果有函数调用，不会进入该函数。
（4）格式：set step-mode 或set step-mode on
说明：打开step-mode模式，进行单步跟踪时，程序不会因为没有debug信息而不停住。
（5）格式：set step-mod off
说明：关闭step-mode模式。
（6）格式：finish
说明：运行程序，直到当前函数完成返回。打印函数返回时的堆栈地址和返回值及参数值等信息。
（7）格式：until 或 u
说明：运行程序直到退出循环体，即取消在一个循环体内单步跟踪。
（8）格式：stepi 或 si
nexti 或 ni
说明：单步跟踪一条机器指令i，一条程序代码有可能由数条机器指令完成，step i和nexti可以单步执行机器指令。

打开可执行文件后，可根据需要在程序中加入断点或观察点，并运行程序。以helloworld程序为例，可在为变量赋值前加入断点，并运行程序。方法如下：

(gdb) break 5	// 在源代码第5行，即变量c赋值处加入断点
(gdb) run	// 运行程序