Linux下编辑、编译、调试命令总结——gcc和gdb描述

GCC

　　gcc是linux系统集成的编译器。在linux环境下编辑程序，首先需要克服的便是没有集成开发环境的一键式操作所带来的麻烦。这其中涉及命令行操作、编译选项的设定、文件依赖关系的书写(makefile)等问题。这里主要介绍的是关于gcc的常用命令行参数及其相应的作用。(若编译C++文件，则只需将下列命令的 gcc 换为 g++，源文件的后缀应为 .C/.cpp/.c++/.cc等)

基本格式：gcc [options] file1 file2...  //若不加入参数，则按默认参数依次执行编译、汇编和链接操作，生成的可执行文件名为 a.out
常用参数：-E                 //只执行预处理操作,直接输出到标准输出(可通过 -o 命令指定输出到文件中 )，可配合 -v 命令使用，查看头文件的搜索目录，即使用 -E -v 编译选项
　　　　　-S                 //只执行到编译操作完成，不进行汇编操作，生成的是汇编文件(.s 或 .asm),内容为汇编语言
　　　　　-c                 //执行编译和汇编，但不进行链接，即只生成可重定位目标文件(.o),为二进制文件，不生成完整的可执行文件
　　　　　-o filename        //将操作后的内容输出到filename指定的文件中
　　　　　-static            //对于支持动态链接的系统，使用静态链接而不是动态链接进行链接操作
　　　　　-g　　　　　　　　　 //编译时生成debug有关的程序信息(供gdb使用)
　　　　　--save-temps       //生成编译过程的中间结果文件(包括预处理文件(x.ii)、汇编代码(x.s)、目标文件(x.o)和最终的可执行文件)

　　　　　-IPATH             //在PATH指定的目录下寻找相关的include文件，参数中间不加空格
　　　　　-lxx               //其中xx为指定函数库，对于Linux环境下的函数库，静态库后缀为.a,动态库后缀为.so，一般库名为libxx.a或libxx.so,如加入libm.so库，则使用参数-lm(去除lib和后缀.a\so)
　　　　　-LPATH             //在PATH指定的目录下寻找相关的库文件，即-lxx指定待链接的库，-L指定寻找该库的路径。不指定时搜索默认的库函数路径。

　　　　　-std=xx            //指定编译使用的语言标准,如 -std=c++11 使用 c++11 标准
　　　　　-x language        //指定待编译文件的语言，而不是由编译器根据文件后缀自行判断。即默认情况下gcc根据文件后缀判断使用的编程语言。例如使用文件名 hello 作为源文件名是不合适的，应使用hello.c
　　　　　
　　　　　-Wall              //输出一些简单的错误以及一些可能存在问题的警告
　　　　　-Wextra            //输出-Wall不包含的警告等
　　　　　-Werror            //将警告视为错误输出
　　
　　　　　-Wl,option　　　　　　　　　 //通过该选项将参数 option 作为后续链接器 ld 使用的参数
　　　　　-Wl,rpath=/path/to/lib　　//为链接器指定一个非默认的运行时库的搜索路径，运行采用了该选项编译的程序时，链接器会在-rpath 指定的目录中搜索所需的 so 库文件，以将其载入内存中
　　　
　　　　　-D name=definition //加入宏定义，若不指定def，则默认为1
　　　　　-O1、-O2　　　　　　　//规定编译器的优化等级，优化级数越高执行效率一般越好，但是优化会改变原有程序结构，使得其汇编不易理解

　　　　　//一些进行缓冲区溢出实验时可能需要的选项
　　　　　-fstack-protector\-fno-stack-protector　　//是否开启堆栈保护，这里的保护是在返回地址之前加入一个验证值来确保返回地址不被破坏
　　　　　-z execstack 　　　　　　　　　　　　　　　　　//启用可执行栈，默认是禁用的
　　　　　//（echo 0 >/proc/sys/kernel/randomize_va_space 关闭地址随机化，这是一个单独的命令,操作需要root权限）

　　　　　//编译动态链接库的选项
　　　　　-shared -fPIC　　　　　　　　　　//笔者用到的编译动态链接库即 .so 库的选项，其中 -shared 表示生成一个共享目标文件(shared object),-fPIC 表示忽略 PIC(position-independent code)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//对应的还有个选项 -fpic，其会生成 PIC，详细内容可参见 man gcc

　　上述编译使用的参数一般在直接使用 gcc / g++ 时作为命令行参数指定。如果想要在某些调用了 gcc / g++ 的编译过程中加入所需的编译参数，即无法直接通过命令行参数的方式指定编译参数时，可以通过全局变量的方式( Linux 环境下 )指定所需的编译参数。具体而言，使用 CXXFLAGS 指定 g++ 编译参数，使用 CFLAGS 指定 gcc 编译参数。

    export CXXFLAGS="-std=c++11"    //通过全局变量指定额外的编译参数
    export CFLAGS="-std=c99"

 

　　举例说明

　　(1)将源文件编辑为可执行文件

    gcc hello.c　　//默认生成名为a.out的可执行文件，这样若在同一文件夹下编译另一个程序，则 a.out 会被后来文件覆盖

　　(2)编译文件，并输出到hello.s

    gcc -S -o hello.s  hello.c

　　(3)生成两个可重定位目标文件

    gcc -c hello.c world.c　　　 //生成hello.o与world.o，不进行链接操作,即仅进行预处理、编译、汇编，而不进行链接

　　(4)对库文件、目标文件进行连接操作

    gcc -static hello.o world.o -lm -L/usr/lib     //以静态链接的方式，将hello.o、world.o以及libm.a库中的相关目标文件链接，在/usr/lib文件夹下寻找目标库

　　

 

GDB

　　gdb是Linux下一款功能强大的调试工具，它既能在反汇编过程中充当一件称手的工具，也能在程序debug过程中为为程序员提供帮助，其唯一美中不足的是在Linux环境下没有图像界面(当然没有功能的封装也是其功能强大的原因之一，而且现在的ddd也提供了GUI)。这里主要记录笔者从一些学习指导中学习的关于gdb命令和用法的总结。

　　

　　为什么要使用GDB？

　　1.在Windows环境下，许多IDE以图形界面提供类似gdb的功能，一般也较为好用。但是一方面，gdb提供给使用者更大的自由，另一方面gdb也是目前几乎所有Linux发行版本的自带软件，简单易得；

　　2.调试程序时尽量减少对诸如printf等输出函数的依赖。许多作者给出的解释是重新修改代码和编译是一件麻烦的差事。这一点笔者起初也并不理解，觉得上述操作确实不算麻烦(...)。后来发现，对于一个单一文件，代码不超过100行的文件，上述操作确实在可接受范围。但对于文件众多，工程量巨大的项目，修改代码、重新编译文件是一件极其耗时且麻烦的操作。如果在Windows环境下进行大工程的debug所需要的修改、重编译所带来的频繁鼠标或快捷键操作还不能使你回心转意的话，相信我，在Linux的命令行模式下进行相同的操作会让你有所改变的；

　　3.习惯是逐渐养成的，不论好坏都是。或许只有逐渐在看起来不那么方便的GDB中锻炼起来，你才能在无论什么编译环境中debug的得心应手，可能那时，你会嫌弃图形界面提供的工具不够给力的；

　　

　　调试策略

　　无论进行何种调试工作，大体的调试策略都类似：使用二分法的方式对错误地点进行定位；使用断点(breakpoint)，使程序运行至断点处时停止以便观察程序状态；使用单步执行，使程序运行一条指令后停止，从而观察数据的变化情况和程序控制流；对一个变量预设特定的值，跟踪其在程序运行中的变化规律等等。根据二八定律，使用20%的GDB指令，一般就可以解决80%的程序bug。这里介绍的是能够常规使用GDB的命令，更多高级或特殊指令，可以参考GDB官方文档Degugging with GDB。

　　为了更好的使用gdb的调试功能，在编译程序时需加入 -g 选项，由编译器生成某些用于调试的信息。

　　

　　GDB常用命令(此部分译自 Guide to Faster，Less Frustrating Debugging，细节有改动)

　　开始/结束gdb

　　使用 gdb filename 启动gdb，其中 filename 应为可执行文件。

    gdb a.out    //使用gdb对a.out进行调试　　

　　对于需要使用启动参数的程序，可以使用 gdb --args 加入运行参数。

    gdb --args a.out arg1 arg2

　　gdb以命令行环境运行，进入gdb后，程序会等待用户的指令并执行，直至用户选择退出。使用 q 或 Ctrl + d 退出。

　　

　　运行(r)指令

　　使用命令 r 运行(run)程序，另外也可以加入程序运行所需要的参数，若原命令行模式下的运行指令为 ./a.out > test.txt ,则在gdb运行时应为 r > test.txt。且如果在同一调试过程中需要多次运行程序(run)，后续再执行时便可直接使用 r 指令，系统会默认使用之前的参数。

　　r　　　　　　　　　　 　　 //运行程序
　　r [options] arguments　 //带参数运行程序，参数与命令行环境下一致，使用 r 替换源程序文件即可

 

　　List( l )指令

　　可以使用指令 l 来列出源文件中的部分源代码。(需要编译时加入 -g 选项生成对应的编译符号)

     l 10　　　//输出源程序10行及前后几行的源码，可以方便进行调试。若要继续查看，按回车键会继续向下显示。

　　对于多个文件的而言，可以通过 l source_file_name.c:col （l 源文件名：行号）来指定所需查看的源代码

     l hello.c:10　　//输出hello.c在10行前后的代码

　　也可以以函数为整体进行输出，命令格式为 l function_name

     l main　　　　　//输出main函数的源代码

　　

　　断点(b)和继续执行(c)指令

　　指令 b 可以在需要地方放置断点，使得程序在指令的位置停止运行，指令格式为 b 断点位置。其中，断点位置可以是行号，也可以是函数名(指定方式与 l 指令类似)，也可以是地址。

　　b 10　　　　　　　　//在源代码10行处放置断点
　　b main　　　　　　　//在main函数开始处放置断点
　　b *0x80480000　　　//在存放在0x80480000处的指令处放置断点，直接使用地址时需要使用 *地址 的格式 
　　b 10 if a<10 　　　//可以在断点中加入中断执行的条件，表示当a < 10 时才会中断程序执行

　　在断点处检查完毕后，可以使用 c 指定继续指令的执行。使用指令 disable/enable 断点号 可以启用/停用某断点。使用指令 d 可删除所有的断点，d 1 删除breakpoint 1.

    disable/enable    n        //停用/启用编号为n的断点
    d                //删除所有断点
    d    n           //删除标号为n的断点

　　用户可以通过 command 命令设置遇到断点后执行的命令，通过 command n 的方式为断点 n 设置遇到断点后执行的一系列操作，使用 end 结束。 

 

　　观测点(watch)指令

　　指令watch可以为某一表达式设置观察点，当程序执行过程中，当表达式的值发生改变时，则 gdb 会中断程序执行，并显示表达式的变化情况。

　　watch a　　　　　 //当变量 a 的值发生变化时，中断程序执行
　　watch -l a　　　　// watch指令指定了 -l 参数时，会将指令所接的表达式的计算结果作为地址，观察该地址处的值的变化情况
　　rwatch a　　　　  // 当 a 的值被读取时，中断表达式的执行

　　

　　显示(disp)和打印(p)指令

　　disp指令(display)可以在每次程序暂定时显示指定变量的值，指令格式为 disp 变量名。若输入的变量为数组名，则每次显示数组的所有元素，若为结构体，则输出结构体的所有成员的值。

　　disp temp　　　　　//在每次程序暂停时输出指定的变量的值(确保程序在指定变量的作用域内执行，如某个在特定函数中的局部变量在程序进入该函数执行之前是无法被显示的)
　　undisplay　　　　　//取消所有disp指定的自动显示变量

　　p指定(print)同样将变量的值打印出来，用法与diap类似，但结果只显示一次。

　　除变量外，p指令还可以输出给定寄存器、给定地址处的值。同时，可以通过一些参数对打印格式进行规定，如 /x 表示以16进制格式打印值，/t表示以二进制格式打印值。

　　p $eax　　　　　　 //打印寄存器%eax存储的值，注意使用$标志寄存器名称
　　p /x ($ebp + 8)　      //以十六进制的格式打印%ebp + 8 的值
　　p /t 100　　　　　    //以二进制格式输出100的值
　　p *0x08048000　　 //输出位于0x08048000处的数据(此处实际存放的是机器代码)，注意地址需使用 * 标志，否则会被默认为常数
　　p *(int *)0xxxxxxxx  //将指定地址处数据按照整数格式输出，这里一般需要指出指针类型方便gdb解释数据

　　

　　其他显示类info命令

　　info reg　　　　　  //输出所有寄存器的当前值
　　info frame　　　　  //输出栈帧的使用情况
　　info  b n　　　　     //其中 n 为指定的断点号，显示指定断点的状态信息，不加参数 n 时，会显示所有的断点的信息

　　

　　内存检查(examine)指令

　　x 指令用于检查内存中某一区域的值，指令格式为 ：x fmt address 。其中address为内存地址的表达式，fmt由 /重复次数+格式化字符+尺寸字符 组成。格式化字符有o(octal，八进制)，x(hex，十六进制)， d(decimal，十进制)，u(unsigned decimal，无符号十进制)，t(binary，二进制)，f(float，浮点)，a(address，地址)，i(instruction，指令)，c(char，字符)，s(string，字符串).尺寸字符有 b(byte)，h(halfword)， w(word)， g(giant, 8 bytes)

    x /4xb *0xxxxxx　　//将指定地址区域连续的四个字节以十六进制的格式输出，一般内存地址均使用 * 标识

 

　　格式化输出(printf)指令

　　该指令的使用方法与C语言中的格式化输出函数相似

    printf" %d , %d \n",X,Y　　//对于两个变量整形X，Y进行输出

　　使用指令whatis可以方便的得知所需对象的类型，如 whatis temp 会显示出temp的类型定义，在调试时有用。

　　

　　执行(s与n)指令

　　s 与 n 指令都是表示执行下一条指令指令的意思。但是，当遇到函数调用时，s 指令会进入函数调用内部进行执行，即下一步为被调函数的第一指令，而 n 指令不进入函数调用内部，会将整个函数的执行过程当作一步执行。

 

　　回溯(bt)指令

　　回溯指令(backtrace)可以查看程序内存访问越界等错误信息，显示程序出错的位置，函数的调用关系等，从而帮助定位程序错误。

 

　　设置(set)指令

　　设置指令 set 可以将指定的变量的值修改为调试所需要的值。如对于一个int型的变量X，可以使用 set X = 12 将变量的值进行设置。

 

　　使用宏定义

　　可以使用宏定义对一些常用指令进行定义。指令格式 ：define 宏名，并根据提示输入宏定义，以end作为结尾标志。

　　

　　另外，在使用gdb进行调试过程中，可能免不了需要重新编译程序，这时不必将gdb退出，只需待程序重新编译后使用 r 指令重新运行程序，gdb会自动更新程序状态，这样可以节约时间。