Linux C

  • Linux系统是基于C语言的一种类UNIX系统，其发布遵循GPL协议。
  • Linux内核是系统的核心程序文件，其主要包括：中断服务程序、调度程序、内存管理程序、网络和进程间通讯等程序构成。
  • Linux保留了UNIX的大多数特点：支持动态加载内核模块、支持对称多处理机制、不区分线程和其他一般进程。
  • 本文章主要讲解如何在Linux环境下进行C语言程序设计。

1. C语言基础

下面介绍的C语言基础，是在有一定的基础上进行补充说明。

1.1 数据类型

  • C语言的数据类型可以分为基本类型、构造类型、指针类型和空类型。

1.1.1 整型、实型、字符型

基本类型 特点
整型 -
实型 -
字符类型 -

1.1.2 枚举类型

  • 枚举类型：假设变量仅有几种可能的值，可将其定义为枚举类型。
  • 跟结构体一样，使用关键字enum声明一个枚举类型，再用该枚举类型声明定义变量，如：
enum IE{
    res1 = 0x80,	// 如果不赋值的话，默认按顺序从0开始赋值，res1只是标识符，不赋值就把res1赋值给其它变量，其实给的为0.
    res2 = 0x81,
    ...
};

enum IE IE_res;	// 定义一个IE变量，其值只能为res1、res2...中的某一个。
IE_res = res1;	// IE_res = 0x80;
  • 经常使用enum IE也不太方便，可以使用typedef进行重声明。
#include <stdint.h>

/*
* 使用枚举变量保存LED的状态
* 同时使用typedef重声明，后续可以直接使用LedState定义变量。
*/
typedef enum {
    LED_OFF = 0,
    LED_ON = 1
} LedState;

typedef P1^0 LED	// 对应P1.0引脚控制LED

int main() {
    LedState state = LED_ON;	// 定义变量并赋值
    LED = state;
    return 0;
}
  • 对于枚举类型还可以应用于：
// 当一个寄存器内容不太好记，可以使用枚举变量给每一位“起别名”。
enum IE
{
    bit1,
    bit2,
    ...
}

int main(void){
    IE[bit1] = 0;
    ...
}

1.1.3 构造类型

  • 构造类型可以分为：数组类型、结构体类型、共用体类型。
构造类型 特点
数组类型 -
结构体类型 结构体支持==位字段语法==，如int led : 1。
共用体类型 与结构体类型类似，使用union关键字开头。

所谓的共用体类型就是：几个不同变量共用同一段内存的结构类型，成员的起始地址相同，故共用体的内存长度为其中最长成员长度。

  • 最后一次赋值有效；

  • 不能引用共用体变量，而只能引用共用体变量中的成员；

  • 不能对共用体变量名赋值，也不能企图引用变量名来得到一个值；

  • C99允许用共用体变量作为函数参数；

  • 共用体类型可以出现在结构体类型定义中，也可以定义共用体数组。反之，结构体也可以出现在共用体类型定义中，数组也可以作为共用体的成员。

union Data{
	int i;
    int f;
    int d;
	char* ch;
};
 
void main(){
    char c='x';
    
	union Data data;
	data.i = 1;
	data.f= 1.2;
	data.d = 1.23;	//只能引用共用体变量中的成员，且同一时间只存在一个变量。
    data.ch = &c;
    ...
}

1.1.4 指针类型

对于指针类型，

int data,*point;
scanf("%d",&data);
point=&data;
*point--;
printf("%d",point);

1.2 运算符

运算符 特点
+、-、*、/、%、++、–、= -
<、>、>=、<=、!= -
&&、||、! 与或非
&、|、^、~、<<、>> 按位：与、或、异或、取反、左移、右移

其中，有些值得注意的细节：

  • 对整数中某些位进行位操作时，可使用位操作运算符，
//使用掩码取出8~15位，并将其右移得到值
unsigned int a, b, mask = 0x0000ff00;
a = 0x12345678;
b = (a & mask) >> 8; /* 0x00000056 */
  • a += 1相当于a = a + 1，但是这种复合运算，只进行一次运算。
  • 任何数与自己做异或，结果为0。
  • 表达式1 ? 表达式2 : 表达式3，三目运算符。
  • sizeof运算符返回类型字节数，typedef类型声明符。
  • 结构体取成员“.”、指向结构体的指针取成员->，这就涉及到了结构体和结构体指针的区别，结构体指针存储的是结构体的地址。
  • 而**"."运算针对的是结构体变量，而箭头运算符是针对的内存而言的，即像结构体指针这种动态分配地址的**。
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float salary;
};

struct Person *ptrPerson,person1;
ptrPerson = &person1;
ptrPerson->age = 30;

1.3 预处理命令

#include"source.c"	// 跨文件调用另一个文件，一般会将函数放于另一个文件中
#define MAX 200	// 宏定义

// 头文件格式
#include...

#ifndef HEADER_NAME_H__
#define HEADER_NAME_H__

// 头文件内容

#endif // HEADER_NAME_H__

2. 内存管理

根据内存分配方式的不同，可将其分为：动态内存和静态内存。

  • 动态内存：程序猿自行按需分配。

  • 静态内存：是由编译器分配的内存，其在编译时完成，不占用CPU资源，变量的释放和分配系统自行完成。

对于其区别：

  • 静态内存的使用不占用CPU资源，而动态内存是在程序运行时完成的，因此占用CPU资源。
  • 静态内存是在栈上分配的，而动态内存是在堆上完成的。
  • 动态内存的使用需要指针和引用数据类型的支持，而静态内存不用。
  • 静态内存：计划分配，动态内存：按需分配。

2.1 内存操作

2.1.1 栈和堆

在计算机科学中，"栈"和"堆"是两种常用的内存分配方式，它们有以下区别：

  1. 分配方式：
    • 栈（Stack）：栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，内存分配和释放是自动进行的，由编译器管理。当您在函数中声明一个局部变量时，它会被分配到栈上，并在函数结束时自动释放。因此，栈上的内存分配和释放是快速的。
    • 堆（Heap）：堆是一种动态分配内存的方式，程序员手动分配和释放堆上的内存。堆上的内存分配和释放比栈上的操作更复杂，需要程序员来负责管理，包括内存的分配、使用和释放。
  2. 内存管理：
    • 栈：栈的大小通常固定，并由编译器提前确定。它通常用于存储函数的局部变量、函数调用和参数。栈上的内存分配和释放是自动的，编译器负责管理，因此不存在内存泄漏的风险。
    • 堆：堆的大小不固定，并且可以动态增长或缩小。在堆上分配的内存由程序员手动分配和释放，因此需要注意避免内存泄漏和悬空指针。
  3. 访问速度：
    • 栈：由于栈上的内存分配和释放是由编译器自动管理的，因此栈上的操作通常比较快速。栈上的数据访问速度相对较快。
    • 堆：堆上的内存分配和释放通常比栈上的操作慢，因为它需要更多的操作来管理动态分配的内存。因此，堆上的数据访问速度相对较慢。
  4. 分配方式：
    • 栈：栈上的内存分配是连续的，每个变量的大小都是固定的。栈的分配和释放遵循后进先出的原则，所以在栈上分配的内存是连续的且按照相反的顺序释放。
    • 堆：堆上的内存分配是不连续的，大小不固定，由程序员在运行时手动控制。因此，堆上分配的内存可以是不连续的。

2.1.2 分配和释放内存

可以通过以下函数实现动态内存的分配和释放：

函数 原型 特点 返回值
malloc() void *malloc(uint size) 分配有size个字节的内存块 分配成功，则返回开辟内存的指针，否则返回NULL，与**free()**配合使用。
calloc() void *calloc(uint n,uint size) 分配n个大小为size字节的内存块 同上
realloc() void *raelloc(void *p, uint newsize) 调整p指针所指向内存大小为newsize个字节 有趣的是，当p为NULL，与malloc()类似，当newsize为0，则等于free()。
memset() void *memset(void *s,char ch,unsigned n) 设置字符串s中所有字节为ch，s数组大小为n 其实就是替换指针数组s中的字符，n代表字符数组的大小。

  • 分配成功将返回分配内存的指针，否则返回NULL。

  • 需要使用**free()**函数释放内存空间。

  • 特别的，如果在realloc()函数中newsize大小为0，则相当于**free()**函数，释放内存空间。

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main(){
    char *p;
    p=(char *)malloc(100);	//对指针分配100个字节
    if(p)
        printf("Memory allocated at: %x",p);	// 将地址打印成十六进制
    else
        printf("Not enough.");
    getchar();
    
    p=(char *)realloc(p,256);	//调整p内存空间从100字节到256字节
    if(p)
        printf("Memory allocated at: %x",p);
    else
        printf("Not enough.");
    free(p);	//释放空间
    return 0;
}

2.2 链表

假设使用动态内存分配的方式，实现保存多名学生的学号、年龄以及成绩，直到输入为0结束。

#include<malloc.h>
#include<stdio.h>
#define LEN sizeof(struct student)

typedef struct student{
    int num;
    int age;
    float score;
    struct student *next;
}stu;	//声明学生结构体及指向下一个成员。

/*创建链表，输入学号为0截止*/
stu *create(void){
    stu *p,*temp,*head;
    p=(stu *)malloc(LEN);	//分配内存空间
    scanf("%d,%d,%f",&p->num,&p->age,&p->score);	//读取数据
    head=p;
    while(p->num!=0){
        temp=(stu *)malloc(LEN);	//分配内存空间
        scanf("%d,%d,%f",&temp->num,&temp->age,&temp->score);	//读取数据
        p->next=temp;	//将链表链接新创建的表
        p=temp;	//重定向新创建的表
    }
    p->next=NULL;	//到链表尾部
    return(head);	//返回表头
}

int main(void){
    stu *table;
    printf("Enter the students's message: \n");
    table=create();
    if(table!=NULL)
        do
        {
            printf("%d,%d,%f\n",table->num,table->age,table->score);
            table=table->next;
        }while(table!=NULL);
}

值得注意的是：scanf（）函数，在格式字符串中存在非格式控制字符时，必须严格符合格式要求。

  • 例如，scanf("%d,%d",&a,&b)中，输入必须为1,2，否则将会导致读取异常。

3. Vim和Emacs

3.1 VIM

VIM作为Linux系统下自带的基本编辑器，具有彩色和高亮等特性。对于VIM的使用：

  • 终端输入vim，进入编辑器中。
  • 退出vim，需要长按ESC键，输入:，再输入q，按下ENTER，即可退出。

同时VIM具有三种模式：命令模式、编辑模式、底行模式。

image-20240219114353799

对于VIM命令行模式：

复制：
y    在使用v模式选定了某一块的时候，复制选定块到缓冲区用；
yy   复制整行（nyy或者yny ，复制n行，n为数字）；
y^   复制当前到行头的内容；
y$   复制当前到行尾的内容；
yw   复制一个word （nyw或者ynw，复制n个word，n为数字）；
yG   复制至档尾（nyG或者ynG，复制到第n行，例如1yG或者y1G，复制到档尾） 
删除：
x	 删除光标指向的当前字符
nx	 删除光标指向的前n个字符
:1,#d 删除行1到行#的文字
d    删除选定块到缓冲区；
dd   删除整行
d^   删除至行首
d$   删除至行尾
dw   删除至一个word
dG   删除至文末 
粘贴：
p    小写p代表贴至游标后（下）
P    大写P代表贴至游标前（上）
常用：
u    撤销
.	 重复 
ggVG 全选
ggdG 全选删除

而对于VIM的底行模式：

命令 含义
q wq x wq! 退出 先保存再退出 强制保存并退出
quit 不保存退出
w w filename 保存为filename名的文件
set nu set nonu 显示行号 不显示行号
/str ?str 正、反向搜索str 按n继续查找
recover 恢复文件
ce ri le 本行内容居中、靠右、靠左

3.2 Emacs

4. GCC编译器

GCC是GNU C Compiler的缩写，由于技术的发展，现在已经可以编译C、C++、Ada、Object C、Java等语言了。故现在又称之为GNU Compiler Collection，具有交叉编译的功能，即可以在一个平台上编译另一个平台的代码。

4.1 GCC指令

gcc编译的基本用法：gcc [options] [filenames]

  • -o output_filename，确定输出文件名为outputfilename，这个名称不能和源文件同名。
  • -c，只编译，不链接成为可执行文件，只生成由C文件生成的目标文件，通常用于不包含主程序的子程序文件。
  • -g，产生符号调试工具（GDB）必要的符号资讯，通常用于调试。
  • -O，对程序进行优化编译、链接，可提高执行效率。
  • O2，比前者更好的优化，但编译过程变慢。
  • -pedantic，能够帮助开发者找出不符合ANSI/ISO C标准的代码，但不是全部。
  • -Wall，该指令能够使GCC产生尽可能多的警告信息。
# gcc -Wall test.c -o test
  • -Werror，该指令将所有警告当作是错误处理，在使用make工具时，能够很好的在产生警告的地方停止。
# gcc -Wall -Werror test.c -o test

建议在使用gcc指令时与Werror连用。

GCC编译程序时，可以细分为：预处理、编译、汇编、链接。

步骤 作用
预处理 C预处理器CPP，主要用于解释宏定义、处理包含头文件。
编译 将源代码处理为.o格式的目标文件。
汇编 在使用gcc时，产生汇编代码，处理这些汇编代码就需要汇编器，从而使其成为目标文件。
链接 将项目的多个模块组合起来，结合相应的函数库，产生目标文件。

此外，除去GCC编译器外，还有一些其他的编译器：

  • g++，其使用的选项一样，但是是针对C++进行编译，保存其扩展名一般为：.cxx 。
  • EGCS：gcc的未来模样，但是现在已经gg了。
  • F2C、P2C：代码转换器。

4.2 GDB调试

4.2.1 gdb预处理

GDB工具是通过bash命令行上实现的，要想使用GDB，必须在使用gcc编译时，附加上调试指令，使得生成文件包含调试信息。

调试符号：调试符号是将源代码与可执3行文件相联系的桥梁，可用作源代码级的条好似、栈回溯、按名称显示变量等。

gcc调试指令：

  • -g，可以在g后附加数字1、2、3来指定加入调试信息的多少，默认-g2。
代号 含义
1 不含局部变量和与行号相关的调试信息，只能用来回溯跟踪、堆栈转储。
2 包含拓展的符号表、行号、局部变量或外部变量信息。
3 在1、2的基础上，包含源代码中的定义的宏。

其中，回溯跟踪：监视程序在运行过程中的函数调用历史。堆栈转储：以十六进制保存程序执行环境的方法。

  • -ggdb，在生成的二进制代码中包含GDB专用的调试信息。

如果在使用gcc编译时，未附加调试指令，再使用gdb filename，则有：

image-20240220164239309

而在编译时，使用了调试指令，则再用gdb filename，此时已经显示读取到调试符号，再键入run指令，则有：

image-20240220164956729

显然，此时程序错误为段错误（scanf("%d",input);），再使用回溯跟踪backtrace（查看函数调用历史）。

image-20240220165513388

从#2错误可知，该问题出在crash.c文件中的第6句。

此外，使用GDB打开带有调试信息的文件时，还可以先进入gdb环境，再使用file 可执行文件名。

4.2.2 gdb调试

GDB还支持：单步跟踪程序、检查内存变量、设置断点等。在gdb环境中：

单步跟踪：

  • break n，在第n行设置断点。break 函数名，进入指定函数时停止。break ... if 条件，符合条件且运行到指定位置停止。
  • enable，可以恢复暂时不起作用的断点，还可以恢复多个断点，使用空格断开。
  • disable，设置断点失效，例如，程序在断点处停下，可以使用disable失效下一断点，再用continue继续执行。
  • delete，clear，删除断点。clear清除断点需要标明行号，delete则需要标明编号。
  • next，单步执行程序语句。
  • step，进入子函数，step可以使用快捷键s代替，单步执行每一条语句。step与next的区别在于next将子函数视为一步。
  • continue，继续执行程序。
  • quit，退出。

检查内存变量：

  • print 变量/表达式，可以使用该指令输出变量/表达式值。

  • print $，表示给定序号的前一个序号，$表示这是第几次使用print指令。还有print $$。

  • print vari=value，print指令还可以给变量赋值。

  • print 开始表达式@连续空间大小，用于打印连续空间的内容，例如，print array[3]@2，打印从数组4开始的两个内容。

  • display，与print不同的是，每当运行到断点处时，都会显示表达式的值，适合在循环中观察变量的值。

  • disable display 序号, enable display 序号, delete display 序号，undisplay 序号，使能/失能、取消、取消显示。

  • whatis，ptype，whatis只显示数据类型，而ptype还可以给出类型的定义。

  • set，可用于修改大循环变量为需要的值，例如，set variable i=4。

  • x/<n/f/u> <addr>，查看内存，n、f、u为查看命令的可选参数，addr为起始地址。

代号 含义
n 表示显示内容的个数，即起始地址后几个的内容。
f 表示输出格式，默认情况下，取决于数据类型，但可选有：
x d u o t c f：十六进制、有符号十进制、无符号十进制、八进制、二进制、字符、浮点
u 表示从当前地址向后请求的字节数，默认四字节，当指定字节长度后，GDB从指定内存地址开始读，可选：
b h w g：字节、双字节、四字节、八字节

可以理解为：从addr地址开始以f格式显示n个u数值。

观察窗口：

  • watch 条件，被写变量/表达式设置监视点，一旦该值有变化，就立即停止程序。例如，watch i>3。
  • rewatch，被读变量/表达式设置监视点，一旦该值被读取，就立即停止程序。
  • awatch，当变量被读被写时，程序停止。
  • info watchpoints，用于列出当前所设置的所有监视点的相关信息。
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演示了：在第一行设置断点，使用next、step单步执行、观察窗口、查看变量值。

检查栈信息：

栈是一种有限定性的线性表，当程序调用函数时，函数的地址、函数参数、函数内的局部变量都被压入栈中。

通过GDB可以查看栈层消息：栈的层编号、当前函数名、函数参数值、函数所在文件及行号、函数执行到的语句。

  • backtrace，简写形式为bt，用于显示当前函数调用栈的所有信息。
  • backtrace n，简写形式为bt n，n为正整数，显示栈顶上n层的栈信息，n为负数，则是显示栈底下n层的信息。
  • frame n，简写形式为f n，n从0开始的整数，表示栈中的层编号，显示第n层栈的信息，没有n则显示当前栈层的信息。
  • up n，向栈底方向移动n层，没有n，则表示移动一层，在栈中栈底位于高地址区域，因此用up，对应的有down。
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  • info frame，简写形式info f，实现更为详细的栈层信息，例如：被调用函数地址、所使用的编程语言、函数参数地址及值、局部变量地址等。
  • info args，显示当前函数的参数名及值。
  • info locals，显示当前函数局部变量及其值。
  • info catch，显示当前函数中的异常处理信息。
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检查源代码功能及其命令：

在使用GDB工具时，通常加上-g参数，将源程序的信息编译到执行文件中，此外查看源代码的有：

  • list，不加任何参数表示显示当前行后面的代码。
参数 含义
+ 显示当前行号后面的代码。
- 显示当前行号前面的代码。
n 显示程序第n行后的代码。
function 显示函数名为function的函数代码。
first,last 显示从first到last之间的代码。
,last 显示当前行到last行的代码。
filename:n 显示文件名为filename文件中的第n行代码。
filename:function 显示filename文件中function函数的代码。

默认情况下，list命令会一次显示10行，可通过：

  • set listsize n，n为显示的行数，该指令可设置每次显示的代码行数。
  • show listsize，显示当前行数显示设置。
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使用GDB调试程序时，难免需要查看某一行代码所在的内存地址等信息，故：

  • info line，用于查看程序在运行时所指定的源代码的内存地址，后跟行号或函数名。
  • disassemble，反汇编，查看当前执行的机器码。
image-20240221165437993

改变程序的运行功能及其命令：

调试程序时，并不是每条语句都需要执行，可以通过跳转语句，修改变量值的方式。

  • set var 赋值等式，改变变量的值，需要注意的是：若存在变量width，则避免set width，理应使用：set var width=5。
  • set $ps=addr，更改跳转执行的地址。
  • jump file:n，跳转到文件file的第n行。又或者是：set addr，跳转到地址为addr的语句开始执行。使用jump会忽略正常顺序。
  • return，跳出函数，或返回一个值。
  • call 表达式，用于显示表达式的值，如果表达式是函数名，则强制性跳转到该函数，并返回函数值，print也可同样使用。

多线程程序调试：

多线程已经被许多操作系统所支持，在LInux平台上的程序设计包括：多任务程序设计、并发程序设计、网络程序设计和数据共享等。

在Linux平台上，多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。

保存编译器中间结果：

  • gcc -save-temps foo.c -o foo，该指令是将编译器生成的中间结果保存，便于手工调整代码。
  • -P和-pg，该指令会将刨析信息加入到生成的二进制文件中，便于开发者开发更加高性能的程序。
指令 含义
-p 在生成的代码中加入通用刨析工具能够识别的统计信息。
-pg 生成只有GNU才能识别的统计信息。

此外，虽然GCC允许优化与加入调试符号信息同时进行，但应当避免避免这种情况的出现。

4.3 代码优化

GCC提供的代码优化功能比较强大：

  • -On，来控制优化代码的生成，其中n代表优化级别，典型值：0 2 3。

    代号 含义
    1 减少代码的长度和执行时间，一般包含线程跳转和延迟退栈。
    2 在1的基础上，完成如处理器指令调度等。
    3 在前者的基础上，完成循环展开等。 
    #include<stdio.h>

    int main(void)
    {
        double counter;
        double result;
        double temp;
        
        for(counter=0;counter<2000.0*2000.0*2000.0/20.0+2022;counter+=(5-1)/4)
        {
            temp=counter/1979;
            result=counter;
        }
        printf("Result is %lf\n",result);
        return 0;
    }

    则通过系统time指令查询运行时间，有：

    image-20240220173456652

但是也要注意优化带来的一些弊端：

  • 优化等级越高，编译时间越长。
  • 优化会增加可执行文件的体积，特别是能够申请到的内存有限时，例如嵌入式设备中。
  • 跟踪调试时，优化代码，会导致跟踪和调试变难。