Linux开发基础（1）：Makefile、GDB、文件IO及其各种操作函数

1.5 Makefile

01 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。

02 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。

03 工作原理

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
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
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

04变量

自定义变量
变量名=变量值，例：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)
示例

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 $@

1.6 GDB调试

01 什么是GDB

GDB是由GNU软件系统社区提供的调试工具，同GCC配套组成了一套完整的开发环境，GDB是Linux和许多类Unix系统中的标准开发环境。
一般来说，GDB主要帮助你完成下面四个方面的功能：

启动程序，可以按照自定义的要求随心所欲的运行程序
可让被调试的程序在所指定的调置的断点处停住(断点可以是条件表达式)
当程序被停住时，可以检查此时程序中所发生的事
可以改变程序，将一个BUG产生的影响修正从而测试其他BUG

02 准备工作

通常，在为调试而编译时，我们会关掉编译器的优化选项(-O) ，并打开调试选项(-g) 。另外，-Wall在尽量不影响程序行为的情况下选项打开所有warning，也可以发现许多问题，避免一些不必要的BUG。
gcc -g -Wall program.c -o program
-g 选项的作用是在可执行文件中加入源代码的信息，比如可执行文件中第几条机器指令对应源代码的第几行，但并不是把整个源文件嵌入到可执行文件中，所以在调试时必须保证gdb能找到源文件。

03 GDB命令—启动、退出、查看代码

启动和退出
gdb 可执行程序
quit
给程序设置参数/获取设置参数
set args 参数(多个参数用空格隔开)
show args
GDB使用帮助
help
查看当前文件代码
list/l (从默认位置显示)
list/l 行号 (从指定的行显示)
list/l 函数名 (从指定的函数显示)
查看非当前文件代码
list/l 文件名:行号
list/l 文件名:函数名
设置显示的行数
show list/listsize
set list/listsize 行数

04 GDB命令—断点操作

设置断点
b/break 行号
b/break 函数名
b/break 文件名:行号
b/break 文件名:函数
查看断点
i/info b/break
删除断点
d/del/delete 断点编号
设置断点无效
dis/disable 断点编号
设置断点生效
ena/enable 断点编号
设置条件断点(一般用在循环的位置)
b/break 10 if i==5

05 GDB命令—调试命令

运行GDB程序
start (程序停在第一行)
run (遇到断点才停)
继续运行，到下一个断点停
c/continue
向下执行一行代码(不会进入函数体)
n/next
变量操作
p/print 变量名 (打印变量值)
ptype 变量名 (打印变量类型)
向下单步调试(遇到函数进入函数体)
s/step
finish (跳出函数体)
自动变量操作
display 变量名 (自动打印指定变量的值)
i/info display
undisplay 编号
其它操作
set var 变量名=值 (设置变量的值)
until (跳出循环)

1.7 标准C库IO函数和Linux系统IO函数对比

01 标准C库IO函数

上图的一些说明：调用fopen后返回一个FILE指针，指针指向的结构体内有三个内容：文件描述符(指向文件，用于定位文件)，文件读写指针(多个指针分别用于读和写)，I/O缓冲区(缓冲区减少与磁盘打交道的次数，增加了效率，上图最右侧的小字代表往从缓冲区磁盘写数据的三种情况)。
差别1：标准C库IO函数可以实现跨平台。跨平台就是开发的程序可以在任何操作系统上运行，所谓的跨平台就是跨操作系统。
跨平台实现方式：1.例如java，程序运行在Java虚拟机上。2.第三方库例如标准C库，IO函数调用操作系统提供的api。
差别2：标准C库IO函数带有缓冲区，缓冲区减少了写入磁盘的次数，增加了效率

02 标准C库IO和Linux系统IO的关系

标准C库IO和Linux系统IO是调用和被调用的关系。write和read是Linux系统的IO，没有缓冲区。写数据时，C库IO函数fputs多次写入缓冲区，缓冲区满(或刷新缓冲区或正常关闭文件)后调用一次write写入磁盘。读数据时，C库IO函数fgets调用一次read从磁盘写满缓冲区，然后多次从缓冲区读数据。

03 虚拟地址空间

虚拟地址空间不是真正存在的，32位操作系统2³²，也就是4G，64位操作系统是2⁴⁸。上图是32位操作系统的虚拟地址空间。虚拟地址空间由MMU映射到真实的物理地址。
上图的一些说明：图中从下到上，是从低地址到高地址。0~3G是用户区(3个G)，3~4G是内核区(1个G)。NULL和nullptr储存在受保护的地址。堆空间存储时是由低地址到高地址，栈空间存储时是从高地址到低地址。堆空间比较大，栈空间比较小。普通用户对内核区没有操作权限，但是可以通过调用系统API(如write、read)完成某些操作。

04 文件描述符

上图的一些说明：文件描述符由PCB进程控制块维护，由数组形式(文件描述符表)存放在PCB这个大的结构体中。文件描述符表的大小是1024，也就是说一个进程最多打开1024个文件。文件描述符表前面0、1、2三个位置被占用，分别是标准输入、标准输出、标准错误，它们三个都指向当前终端(linux中一切皆为文件)。每打开一个新文件，则占用一个文件描述符，而且是空闲的最小的一个文件描述符。当一个进程多次打开相同的文件时，会占用多个文件描述符，每个文件描述符表不相同。

05 Linux系统IO函数

open 打开已经存在的文件

int open (const char *pathname, int flags);     
/* 
打开一个已经存在的文件。指令 man 2 open 查看详情。
头文件：#include <sys/types.h>  
       #include <sys/stat.h>  
       #include <fcntl.h>(open函数的声明实际上是在fcntl.h里，但是下面要说的参数flags的值是定义的宏，分别存放在上面两个头文件中)
pathname：要打开的文件路径。
flags：参数flags是通过 O_RDONLY，O_WRONLY 或 O_RDWR (指明文件是以 只读，只写 或 读写 方式打开的)与零个或多个可选模式做 | 操作得到的。 O_RDONLY，O_WRONLY 或 O_RDWR必须选择一个，而 | 后面的可选模式可以选择也可以不选择。可选模式常用的有：O_APPEND、O_TRUNC、O_LARGEFILE、O_CREAT(如果选择O_CREAT则代表此时要创建一个新文件，需要open后面多一个参数mode决定新创建文件的权限)等，可选模式的详细功能利用指令 man 2 open 查看。
返回值：文件描述符，如果打开失败则返回-1。
errno：属于Linux系统函数库，库里面的一个全局变量，记录的是最近的错误号。当系统调用(system call)产生错误后，errno会被附上合适的错误号(每种错误号代表不同的错误种类)。指令 man 3 errno 查看详情。
*/

void perror(const char *s);
/* 
打印errno对应的错误描述，指令 man 3 perror 查看详情。
头文件：#include <stdio.h>
s：用户描述，可以是任意的，比如hello，最终输出的内容是 hello : xxx(实际的错误描述，例如No such file or directory)
*/

示例
编写代码，只读方式下打开同一级目录下的“a.txt”文件，如果打开失败，则利用perror打印错误描述

编译并执行，可以看到，由于不存在“a.txt”文件，所以打印了错误信息“No such file or directory”

创建“a.txt”文件，再次执行，没有报错

open创建一个新的文件

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);    
/* 
创建一个新的文件。指令 man 2 open 查看详情。
头文件：见上文“open 打开已经存在的文件”。
pathname：要创建的新文件的路径。
flags：见上文“open 打开已经存在的文件”。此时必须选择O_CREAT
mode：mode只有当在flags中使用O_CREAT时才有效，否则被忽略，它是一个八进制的数，表示创建的新文件的操作权限。例如：0777，第一个7代表创建文件的用户可读可写可执行，第二个7代表同组可读可写可执行，第三个7代表其他组可读可写可执行。但是最终文件的权限不一定是0777，最终的权限是: mode & (~umask)。
umask：用于抹去某些权限。不同用户的umask有不同的默认值，指令 umask 可以查看当前用户的umask值，root的umask值默认是0022。可以通过指令[umask 数值]改变当前用户的umask值，但是这种改变只是在当前终端上的改变，启动另一个终端登录该用户还是默认的umask值。假设mode=0777，当前用户是root用户，那么最终权限就是 0777 & (~0022)，最后的权限结果是0755(计算过程先变成二进制再计算)，也就是创建文件的用户可读可写可执行，同组可读不可写可执行，其他组可读不可写可执行。后面会用示例演示一遍
返回值：文件描述符，如果打开失败则返回-1。
*/

示例
编写代码，在同一级目录下创建“a.txt”文件，mode=0777，如果失败，则利用perror打印错误描述

当前用户root，umask=0022，当前目录下只有creat.c文件，编译并执行，可以看到创建了a.txt文件，且权限是rwxr-xr-x
为什么flags的多个选项采用用 | 操作。因为flags是int类型的值，二进制共32位，某些位置代表读、写或其他选项，这些位上如果是1则代表有，0代表没有， | 操作后把所有的1都保留下来，就可以实现多种选项同时选择。

read

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
/*
读文件，指令 man 2 read 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
fd：文件描述符，open得到的，通过这个文件描述符操作某个文件
buf：需要读取数据存放的地方，数组的地址(传出参数)
count：指定的数组的大小
返回值:
成功: >0：返回实际的读取到的字节数；=0：文件已经读取完了
失败：-1，并且设置errno
*/

write

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
/*
写文件，指令 man 2 write 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
fd：文件描述符，open得到的，通过这个文件描述符操作某个文件
buf：要往磁盘写入的数据
count：要写的数据的实际的大小
*/

示例

编写程序，将test.txt文件中的内容拷贝一份到新文件copytest.txt中。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int srcfd = open("test.txt", O_RDONLY);   //只读方式下打开原文件
    int copyfd = open("copytest.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0664);  //只写方式下创建拷贝文件，并设置权限
    char buf[1024] = {0};   //创建缓冲数组
    int len = 0;   
    
    //循环写入数据，len等于0代表读完了，或者len小于0代表读取中断，两种情况跳出循环
    while((len = read(srcfd, buf, sizeof(buf))) > 0)
    {
        write(copyfd, buf, len);  //注意这里最后一个参数是len，指实际要写入的大小，而不是buf的大小
    }

    //关闭文件
    close(srcfd);  
    close(copyfd);

    return 0;
}

编译并运行，可以看到拷贝后的两个文件大小一致

lseek

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);
/*
重新定位文件读写的位移，指令 man 2 lseek 查看详情
头文件：#include <sys/types.h>   #include <unistd.h>
fd：文件描述符，通过open得到的，通过这个fd操作某个文件
offset：偏移量
whence：有以下几个选项
    SEEK_SET：设置文件指针的偏移量，从文件头开始
    SEEK_CUR：设置偏移量，当前位置+第二个参数offset的值
    SEEK_END：设置偏移量，文件大小+第二个参数offset的值
返回值：返回文件指针的位置

作用:
    1.移动文件指针到文件头。lseek(fd, 0, SEEK_SET);
    2.获取当前文件指针的位置。lseek(fd, 0, SEEK_CUR); 
    3.获取文件长度。lseek(fd, 0, SEEK_END);
    4.拓展文件的长度，当前文件10b, 扩展成110b, 增加了100个字节。 lseek(fd, 100，SEEK_END);
*/

示例

编写程序，11字节的文件helloworld，扩展100字节。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int fd = open("helloworld.txt", O_RDWR);
    if(fd == -1)
    {
        perror(open);
    }
    int ret = lseek(fd, 100, SEEK_END);  //扩展100字节
    if(ret == -1)
    {
        perror(lseek);
        return -1;
    }
    write(fd," ", 1);  //写入一个空格，否则扩展后的文件大小不变
    close(fd);
    return 0;
}

原来文件的大小是11字节

文件内容：

编译并执行，执行后文件大小变成112字节，多了1字节是因为写入了一个空格

文件内容：

最后有一个写入的空格

stat、lstat

int stat(const char* pathname, struct stat* statbuf);
/*
作用：获取一个文件相关的一些信息，指令 man 2 stat查看详情
头文件：#include <sys/types.h>
       #include <sys/stat.h>
       #include <unistd.h>
pathname：操作的文件的路径
statbuf：结构体变量，传出参数，调用函数后，获取到的文件的信息会保存在这个结构体中
返回值：成功：返回0；失败：返回-1并设置errno
*/

int lstat(const char* pathname, struct stat* statbuf);
/*
作用：获取一个软连接文件相关的一些信息，而不是软连接指向的文件
详情指令、头文件、参数等其他信息与stat相同
*/

stat结构体

struct stat {
    dev_t st_dev;   //文件的设备编号
    ino_t st_ino;   //节点
    mode_t st_mode;    //文件的类型和存取的权限
    nlink_t st_nlink;   //连到该文件的硬连接数目
    uid_t st_uid;      //用户ID
    gid_t st_gid;      //组ID
    dev_t st_rdev;      //设备文件的设备编号
    off_t st_size;      //文件字节数(文件大小)
    blksize_t st_blksize;    //块大小
    blkcnt_t st_blocks;      //块数
    time_t st_atime;        //最后一次访问时间
    time_t st_mtime;      //最后一次修改时间
    time_t st_ctime;      //最后一次改变时间(指属性)
};

stat结构体中的st_mode变量

说明：st_mode是一个16位的二进制数，位置对应的信息如上图所示，分别用0和1表示。图下方的数字都是八进制数，除了权限是一个位上0和1代表有或没有该权限外，文件类型是以多个二进制位代表不同的文件，例如管道的10000，转换为二进制数是0001 0000 0000 0000，即表示文件类型的四个二进制位从左到右数第一到三位都是0，第四位是1，代表管道文件。又例如套接字的140000，转换为二进制数是1100 0000 0000 0000，即表示文件类型的四个二进制位从左到右数第一和第二位都是1，第三和第四位是0，代表套接字。如果想知道某个文件是否有某个权限，可以将该文件的st_mode与图下方对应权限的宏做 & 操作。如果结果是0则代表没有该权限，否则就是有。如果要判断某个文件的类型，可以将该文件的st_mode与图下方S_IFMT掩码做 & 操作，得到的值再与宏作比较即可得到文件的类型

06 文件属性操作函数

int access(const char* pathname, int mode);
/*
作用：判断某个文件是否有某个权限，或者判断文件是否存在，指令 man 2 access 查看详情
头文件： #include <unistd.h>
pathname：判断的文件路径
mode：
    R_OK：判断是否有读权限
    W_OK：判断是否有写权限
    x_OK：判断是否有执行权限
    F_OK：判断文件是否存在
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int chmod(const char* pathname, mode_t mode);
/*
修改文件的权限，指令 man 2 chmod 查看详情
头文件：#include <sys/stat.h>
pathname：需要修改的文件的路径
mode：需要修改的权限值，八进制的数。有许多宏选项，指令 man 2 chmod 查看
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int chown(const char* path, uid_t owner, gid_t group);
/*
修改文件的所有者和所在组。有权限要求。指令 man 2 chown 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
path：文件路径
owner：修改后的所有者id
group：修改后的组id
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int truncate(const char* path, off_t length);
作用：缩减或者扩展文件的尺寸至指定的大小。缩减会删除超过空间的字符，扩展则用空字符填充。指令 man 2 truncate 查看详情
头文件：
    #include <unistd.h> 
    #include <sys/types.h>
path：需要修改的文件的路径
length：需要最终文件变成的大小
返回值：成功返回0，失败返回-1

07 目录操作函数

int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);
/*
作用：创建一个目录。指令 man 2 mkdir 查看详情
头文件：
    #include <sys/stat.h>
    #include <sys/types.h>
pathname：创建的目录的路径
mode：权限，八进制的数。如：0777，但是最终结果不一定是0777，因为最终权限的结果是：mode & (~umask) & 0777
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int rmdir(const char *pathname);
/*
作用：删除空目录，如果目录里有内容则无法删除。指令 man 2 rmdir 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
pathname：删除的目录的路径
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int rename(const char *oldpath， const char *newpath);
/*
作用：重命名一个文件，也可以将文件移动到其他目录。指令 man 2 rename 查看详情
头文件：#include <stdio.h>
oldpath：旧路径
newpath：新路径
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


int chdir(const char *path);
/*
作用：修改进程的工作目录。比如在/home/linux目录下启动了一个可执行程序a.out，进程的工作目录就是/home/linux。指令 man 2 chdir 查看详情
头文件：#include <unistd.h>
path：修改后的工作目录
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/


char *getcwd(char *buf， size_t size);
/*
作用：获取当前工作目录。指令 man 2 getcwd 查看详情
头文件：#include <unistd.h> 
buf：存储的路径，指向的是一个数组(传出参数)
size：数组buf的大小
返回值：第一个参数buf的内存地址
*/

08 目录遍历函数

DIR *opendir(const char *name);
/*
打开一个目录。指令 man 3 opendir 查看详情
头文件：#include <sys/types.h>
       #include <dirent.h>
name：要打开的目录名称
返回值：DIR 类型的结构体，可以理解为目录流
       出现错误返回NULL
*/


struct dirent *readdir(DIR *dirp);
/*
读取目录中的内容。指令 man 3 readdir 查看详情
头文件：#include <dirent.h>
dirp：opendir返回的结果
返回值：dirent 类型的结构体(具体内容见下方)，代表读取到的文件的信息。开始时在目录开头(不是第一个文件，而是更前面的位置)，每读取一次会往后走，第一次读取会移动到第一个文件(当前目录“.”)，每次返回当前读取到的文件信息，读取到末尾或读取失败返回NULL，读取到末尾时errno不变，失败时errno会被新设置
*/

struct dirent
{
    ino_t d_ino;    //此目录进入点的inode
    off_t d_off;    //目录文件开头至此目录进入点的位移
    unsigned short int d_reclen;    // d_name文件名的实际长度，不包含NULL字符
    unsigned char d_type;    // d_name 所指的文件类型
    char d_name[256];    //文件名
};


int closedir(DIR *dirp);
/*
关闭读取的目录，指令 man 3 closedir 查看详情
头文件：#include <sys/types.h>
       #include <dirent.h>
dirp：opendir返回的结果
返回值：成功返回0，失败返回-1
*/

09 文件描述符函数

int dup(int oldfd);
/*
作用：复制一个新的文件描述符。假设fd指向的是a.txt, fd1 = dup(fd)，fd1也是指向a. txt，且fd1是从空闲的文件描述符表中找一个最小的，作为新的拷贝的文件描述符。指令 man 3 dup 查看详情。
头文件：#include <unistd.h>
oldfd：要被复制的文件描述符
返回值：复制完成的新的文件描述符
*/

int dup2(int oldfd, int newfd);
作用：重定向文件描述符。oldfd指向a.txt，newfd指向b.txt，调用函数成功后：newfd和b.txt做close，newfd指向了a.txt。oldfd必须是个有效的文件描述符，oldfd和newfd值相同，相当于什么都没有做。指令 man 3 dup2 查看详情。
头文件：#include <unistd.h>
返回值：newfd，失败返回-1

10 fcntl函数

man 2 fcntl

int fcntl(int fd, int cmd, ...);
/*
对文件描述符进行某些操作，最常用的就是复制文件描述符和修改文件描述符的flags。指令 man 2 fcntl 查看详情。
fd：表示需要操作的文件描述符
cmd：表示对文件描述符进行如何操作
    F_DUPFD：复制文件描述符，复制的是第一个参数fd，得到一个新的int fd1 = fcntl(fd, F_DUPFD);
    F_GETFL：获取指定的文件描述符文件状态flags。获取的flag和open函数传递的flags是一个东西。
    F_SETFL：设置文件描述符文件状态flag。
必选项：O_RDONLY，O_WRONLY，O_RDWR，不可以被fcntl修改
可选性：可选性: O_APPEND(表示追加数据)，O_NONBLOCK(设置成非阻塞)。阻塞和非阻塞：描述的是函数调用的行为。
返回值：根据cmd的不同，返回值也不同。成功的情况下：F_DUPFD返回复制的新的文件描述符，F_GETFL返回得到的flags，F_SETFL返回0；失败的情况返回-1
*/

//示例：修改文件描述符fd的flag，使其可以追加数据
int fd = open("a.txt", O_RDWR);  //注意这里必须有写的权限，因为fcntl不能修改必选项的三个flag，所以初始打开文件的时候必须有写的权限。
int flag = fcntl(fd, F_GETFL);   //得到原来fd的flag
flag |= O_APPEND；    //用 | 操作追加O_APPEND
fcntl(fd, F_SETFL, flag);   //设置新的flag

posted @ 2022-09-10 21:41 小肉包i 阅读(50) 评论(0) 收藏举报

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