Linux操作系统-基础开发工具(二)

一.make/makefile

1.1make/makefile的概念

Make 是一个经典的构建自动化工具，主要用于管理源代码的编译过程。Makefile 是 Make 工具的配置文件，包含了一系列规则，告诉 Make 如何构建项目。简单来说，我们日常在写代码时，有时我们写的文件包含.h头文件和.cpp的源文件，但是最后我们程序运行的时候只会生成一个可执行文件，而整合这些文件并形成可执行文件的工作就是由make/makefile共同完成的。

而它们叫做自动化构建工具的原因是当makefile写好内容后，只需要一个make命令，整个⼯程就会完全⾃动编译，极⼤的提⾼了软件开发的效率。

1.2基本的make/makefile

下面我们来看一看基本的make/makefile是怎么写的：

我们要完成一个简单的make/makefile需要先创建一个makefile的文件，并在里面写出第二幅图所示的代码保存并退出，最后退出vim，执行make指令。

我们此时就会发现执行了gcc的那条指令，并且我们也看到了确实创建出了test.exe的可执行文件。

那么第二幅图所示的代码究竟是什么意思呢？为什么make指令执行后就会出现上述的现象呢？

要解决上面的问题我们首先要了解什么叫依赖关系和依赖方法：

依赖关系指的是目标文件(target)与它所依赖的文件(dependencies)之间的关系。在Makefile中，依赖关系描述了构建一个目标需要哪些前提条件。

依赖方法(也称为recipe或命令)是构建目标时需要执行的具体命令。它紧跟在依赖关系行之后，必须以Tab键开头。

第一行的就是依赖关系，也就是test.exe可执行文件依赖于test.c文件，而make指令会解析依赖关系，解析后就会执行依赖方法。

我们只写这一个程序并不能完全体现make是如何解析依赖关系的，我们用上一篇所讲的形成可执行文件的四个过程来体现：

我们用上面的四步操作同样实现了生成test.exe可执行文件的过程，但是执行make指令是我们发现它执行指令的顺序并不是我们所写顺序，这是为什么呢？

原因就是make指令在解析依赖关系时会形成推导栈，将所有的依赖方法都入栈，最后按照出栈顺序一个个执行指令，而栈的特性是后进先出，所以才会出现上面的现象，我们可以用图来展示这个个过程：

通过上图，想必都能理解make解析的过程，而推导栈就是依赖方法的集合。

1.3makefile的基本语法

1.3.1 .PHPNY

我们在日常运行代码时，会产生一些临时文件，而我们要再一次要运行程序时是需要将那些临时文件给清理掉，再重新生成新的临时文件，这个过程想必大家都清楚。

而在makefile中我们通过上面的语法：.PHONY来实现清理的操作，那么这个语法是什么意思呢？

.PHONY语法的作用就是声明一个符号为伪目标，而伪目标的本质是总是被执行的！

这是什么意思呢？我们来看一个对比：

上面的生成test.exe可执行文件的程序我们并没有用.PHONY来进行修饰，我们发现它的依赖方法只会执行一次，再次执行就会显示当前的可执行文件已经是最新的，而经过修饰的clean文件可以一直执行，这就是总是被执行的意思。

这里有人可能会有问题：清理操作多次执行我能理解，可以打扫多次，那么上面的生成.exe可执行文件为什么不用.PHONY来修饰呢？

这是因为我们上面的.exe文件生成之后内容并没有发生改变，编译一次即可，为什么要重复编译呢？

内容没有发生改变还重复编译，那么就会导致编译效率的降低，所以gcc检查文件内容没有发生改变的情况下就不会再让其再次编译。换句话说就是如果文件内容发生了改变，就可以再次编译。

如上图所示，我们在执行make clean后，文件整个都没了，那么就相当于文件内容发生了改变，那么也是可以执行的：

1.3.2 .PHONY的细节问题

在上面的操作中，我想不只有上面一个问题，还有很多细节问题，所以我们来总结一下： 细节一：依赖关系必须存在，依赖文件列表可以为空

细节二：依赖方法可以是任何的shell命令

细节三：clean目标，只是利用了make的自动推导能力让它执行了rm指令，在构建工程的视角，看起来就像是清理项目，本质就是删除不需要的临时文件。

细节四：make命令后面可以跟文件名，后面跟谁，就解析谁的依赖关系和依赖方法，而上面我们没有跟文件名依旧可以执行生成.exe文件的操作是因为make命令默认会解析推导第一个依赖关系和依赖命令。

并且make命令一次只会解析推导一条完整的依赖关系链，这就是为什么解析推导完生成.exe文件的操作后并没有解析推导clean的依赖关系和依赖方法。

细节五：.PHONY总是可执行的操作是怎么做到的？为什么上面的生成.exe文件的操作gcc只能执行一次，无法重复编译老代码？

我们先说后面的问题，其实gcc判断的标准就是看test.c和test.exe两个文件的Modify时间，Modify就是文件新建或最后修改的时间，我们从上图可以看到test.c的Modify时间相比test.exe要早，所以此时想要再次执行编译生成.exe文件的指令就无法做到。

我们可以看这个时间轴来更好地理解，只要src.c的Modify时间比src.exe要早，就无法执行编译生成.exe文件的指令，只有修改src.c的内容或者删除src.exe并再次新建，删除并重建的方式我们上面已经看过了，下面我们来看另一种方式：

我们上面对test.c内容做出了修改，可以看到Modify时间此时已经比test.exe的要晚了，那么此时我们make就没有问题。

注意执行完make指令后test.exe的Modify时间就会更新，时间就会再次比test.c要晚。

讲到这里想必就能知道为什么被.PHONY修饰的文件总是能被执行，就是因为被.PHONY修饰后，gcc就会忽略Modify时间的差异，这样就能做到总是被执行。

这里可能还有人会有疑问：为什么Change和Modify都是修改的意思，反而要看Modify时间而不看Change的时间呢？

我们要知道文件 = 文件内容 + 文件属性，而Modify指的是对文件内容的修改，而Change指的是对文件属性的修改，上面的操作没有针对文件属性进行修改，所以不能拿它作为标准来看。

上面我们对文件属性进行修改，此时的Change时间就发生了改变，并且有个有意思的现象：当Modify的时间修改时，Change时间也会同步修改，二者时间会变的一样，但是当Change时间修改时，Modify时间并不会发生变化，这是为什么呢？

这是因为Modify时间也是属于文件属性啊，文件属性发生修改Change时间当然要发生改变，反过来Change时间是文件属性，并不属于文件内容，所以当Change时间修改时，Modify时间并不会发生变化。

最后的Access时间指的是文件最后被访问的时间，通过cat，less等指令都可以刷新这个时间，但是我们重复通过指令来刷新这个时间我们会发现它没有被刷新，这个时间刷新的标准有的是根据时间的间隔，也就是一段时间后才能刷新，有的是重复多次使用指令才会更改，是按次数来算。

1.3.3makefile的其他语法

1. @符号的使用

我们在执行make相关的指令时，会将我们要执行的指令给回显出来，我们如果不想让其回显出来可以这样做：

我们在依赖方法前面加上@就可以隐藏我们要执行的相关指令。

2.变量名的使用

在makefile中也是可以用变量名来操作：

我们用BIN和SRC来代表两个文件，在依赖关系这一行就要写入()中，这是因为在Linux中所有的变量对它而言都是字符串，我们将其写入()就是提取里面的内容。

并且补充两个小技巧：我们在依赖方法中将test.c替换为了^，将test.exe替换为@，^代表的就是提取依赖文件列表，@代表的就是提取目标文件。

这里用变量名来进行操作可能有人觉得没有必要，那是因为现在只有一个文件，如果我们有100个文件，目标文件都是test.exe，但是我现在让你把文件名改为hello.exe，如果用变量名的话我们只需要改第一行的内容即可，不用变量名我们就只能一个一个修改，效率就会大大降低，所以用变量名来操作会提高我们编程的效率。

3.其他符号的使用

比如我们现在要将上面的所有文件整合，生成一个.exe可执行文件，我们这时肯定要利用变量名来解决问题，不然在依赖文件列表我们就要一个一个写出所有的.c文件，那太耗费时间了，所以我们可以这样做：

wildcard *.c的意思是当前目录下所有以.c为后缀的文件名，写入$()中就是提取这些文件名，这样我们就完美的解决了上面的问题，大大提高了效率。

我们再延伸一下：我们要生成最后的.exe文件，就要用到.o文件，那么该如何将所有的.c文件转化为.o文件呢？

首先我们要先提取所有.o文件名，上面第一行代码就是将SRC中的所有.c文件名全部改为.o。

而我们只提取了.o的文件名，但是实际上并没有.o文件，所以最后一步就是生成所有.c文件相应的.o文件。%.c的意思是展开当前目录下所有的.c文件，%.o是同时展开同名.o文件，$<的作用是对展开依赖的.c文件，一个一个执行gcc的操作，这样每一个.c文件都会生成相应的.o文件。

我们同时也可以对clean操作进行相应的修改：

这样clean时就可以删除所有的.o文件和.exe文件：

2.调试器gdb/cgdb

2.1gdb和cgdb的概念

GDB 是 GNU 项目的一部分，是一个功能强大的命令行调试工具，支持多种编程语言（如 C、C++、Rust 等）。它允许开发者在程序运行时检查变量、设置断点、单步执行代码等。

CGDB 是 GDB 的增强版，提供了一个基于终端的图形化界面（类似 Vim 的分屏模式）。它保留了 GDB 的全部功能，同时增加了代码浏览的便捷性。

2.2启动gdb

上面我们就是写了一个案例来进行调试，而最后一张图就是启动gdb的命令，要对一个可执行文件进行调试的命令就是：gdb + 文件。

但是此时我们还不能使用，为什么呢？

这里就提示我们没有找到debug的信息，debug模式相信大家应该都知道，在写代码时有debug和release两个模式，只有在debug模式下才能进行调试。

而上图的意思就我们不在debug模式下，后面输入调试相关的命令是无法使用的，也就是说我们所生成的可执行文件默认是relese模式。

那么该如何生成debug模式下的可执行文件呢？

其实很简单：

只需要在正常的命令后加上 -g 即可。

此时我们的可执行文件已经在debug模式下了，所以最后一行就不会再提示我们找不到debug的信息了。

下面我们就可以执行调试相关的命令了：

上面就是利用 l 的命令来展示我们的代码，一次只能展示一部分，但是这样调试的话就太难受了，很不方便，所以我们一般不使用gdb来调试，而是使用cgdb来进行调试。

当我们使用使用cgdb调试时，进来就是上图所示的画面，通过分屏操作，上面就是我们的代码，下面就是调试的窗口，可以输入调试的相关命令，所以下面我们就以cgdb来掩饰，gdb和cgdb的命令相同的。

2.3gdb/cgdb的相关命令

2.3.1 list/l命令

list/l的相关命令有三个：

list/l：显⽰源代码，从上次位置开始，每次列出10⾏

list/l + 函数名：列出指定函数的源代码

list/l + 行号：列出指定⽂件的源代码，这个行号的意思是列出以输入的行号为中心的部分代码

上面就是后面两个命令操作后的结果，list/l的相关命令在gdb使用比较多，毕竟看不见代码，在cgdb就用的没那么多了，此时我们就能看见自己写的代码了，没必要在展示代码。

2.3.2 break/b命令

我们调试必不可少的就是打断点，所以break/b命令就是设置断点，相关的命令有两个：

break/b：在指定行号设置断点

info break/b：查看当前所有的断点信息

上图我们使用b命令设置断点，被设置断点的行号会高亮，便于我们看到。

我们通过info b命令就可以看到我们所设置的断点信息，包括断点所处的行号等相关信息。

2.3.3 delete/d命令

既然能设置断点，就能删除断点，d命令就是用来删除断点的，相关命令有两个：

d：删除所有断点

d + n：删除序号为n的断点，这个n可不是行号，而是我们在设置每个断点时前面会有一个Num，这个数字才是n，就如上面我们通过info b查看断点的信息时，头一个信息就是Num。

2.3.4 run/r命令

r命令就是让程序开始连续执行，就是直接让代码跑起来：

上图我们通过r命令直接让程序执行了一遍，后两行就可以看到我们程序执行之后所打印出的内容。

2.3.5 next/n和step/s命令

这两个命令就是我们常用的逐过程(F10)和逐语句(F11)，这两个的作用想必大家都知道，并且这两个命令要配合着断点来进行使用，我们来看：

首先我们要打个断点，然后通过r命令让程序运行到的断点位置处，此时我们就可以使用n或者s命令来进行调试，并且我们输入一次命令之后，后面就不用再输了，直接回车就能接着上一步的操作。

如果我们没有打断点，就会出现下面的情况：

这句话的意思就是说程序没有执行起来，就没有办法在使用n或者s命令。

2.3.6 print/p命令

我们调试中也很关键的一部分就是观察我们所定义的变量的变化，而p命令的作用就是如此：

使用方法就是在p后面加上我们要观察的变量，但是一次只能观察一个变量，并且不能便调试边观察，就如上图所示我们看完当前循环的i和result，要想接着调试，就得重新输入n或者s。

这种观察变量的方式很不方便，所以下面就有更好用的命令。

2.3.7 display/undisplay命令

上面我们说了比p命令好用，那么好用在哪儿呢？我们来看：

我们用过display来展示我们要观察的变量，再通过s或者n调试时，我们只需要按下回车，不但能让程序往下走，同时每次回车都能看到我们要观察的变量的变化，比之上面的p命令要方便的多。

那既然都能展示我们要观察的变量，自然也能删除我们不需要观察的变量，undisplay作用就和它的意思一样，不展示某个变量。

但是和display不同的是，display后面跟的是变量名，undisplay后面跟的不是变量名，而是编号，和断点一样。

如上图所示，我们在调试时，我们观察的变量前面会有1，2等编号，undisplay后面跟的就是这个编号，我们来看：

此时我们undisplay 1，也就是不展示i变量，如上图所示，后面我们再进行调试，就不再显示i变量了。

2.3.8 until命令

这个命令的作用就是直接让程序执行到某一行，我们来看：

如上图所示，我们如果不想一次一次循环来观察变量的变化，可以直接使用until + 行号的命令，直接就运行到了循环结束的部分，可以直接观察到变量最终的结果。

但是until毕竟是全局的变化，我们要先观察局部的变化，比如：我们的代码此时出问题了，经过排查是在某个函数里面出的问题，但是我们不想让程序直接运行到函数结束的部分，而是单单只想观察这个函数执行完的结果，那么就可以用下面的命令。

2.3.9 finish命令

我们只需要输入finish命令，就可以直接执行到当前函数返回，然后停止，finish相比until就是观察局部的变化。

2.3.10 continue命令

continue在循环中的作用想必大家都清楚，跳过某次循环，而在调试中continue的作用就是从一个断点跳到另一个断点，我们来看：

如上图所示，我们通过continue命令，可以实现从当前位置开始连续执行程序，也就是从一个断点跳到下一个断点的位置。

以上就是基础开发工具(二)的全部内容。