1. GCC/G++

<code>gcc和g++是GNU Compiler Collection中的编译器，分别用于编译C和C++程序。它们的编译过程主要包括四个步骤：预处理（Pre-Processing）、编译（Compiling）、汇编（Assembling）、链接（Linking）。

1.1 编译过程

1. 预处理（Pre-Processing）：

   gcc -E hello.c -o hello.i

   对hello.c文件进行预处理，生成预处理文件hello.i。

   作用：扩展宏、包含头文件、处理条件编译、删除注释等。

2. 编译（Compiling）：

   gcc -S hello.i -o hello.s

   对预处理文件进行编译，生成汇编文件hello.s。

   作用：将高级语言代码转换为汇编语言，便于进一步转换为机器代码。

3. 汇编（Assembling）：

   gcc -c hello.s -o hello.o

   对汇编文件进行汇编，生成目标文件hello.o。

   作用：将汇编代码转换为机器代码，包含程序的二进制指令，但还未链接库函数或其他目标文件。

4. 链接（Linking）：

   gcc hello.o -o hello

   对目标文件进行链接，生成可执行文件hello。

   作用：生成最终的可执行程序，可以在目标操作系统上运行。

可以一步完成所有过程：

gcc hello.c -o hello

或者只生成目标文件：

gcc -c hello.c -o hello.o

1.2 GCC基本使用

• 编译单个C文件并生成可执行文件：

  gcc -o outputfile sourcefile.c

  -o outputfile：指定输出的可执行文件名。

  sourcefile.c：要编译的源文件。

• 编译多个C文件并生成可执行文件：

  gcc -o myprogram file1.c file2.c file3.c

• 编译并生成目标文件（.o文件）：

  gcc -c file.c

  -c：仅编译，生成目标文件（object file）。

• 指定头文件目录：

  gcc -Iinclude -o myprogram src/file1.c src/file2.c

  -Iinclude：指定包含头文件的目录include。

  详细解释：

  -I 选项用于指定头文件的搜索目录。这在包含自定义头文件或者头文件不在标准目录时非常有用。

  头文件（.h或.hpp文件）通常包含函数声明、宏定义、数据类型、预处理指令等。当编写一个程序时，头文件可以被多个源文件包含，以便共享这些声明和定义。

  编译器默认会在一些标准目录中搜索头文件，比如 /usr/include 和 /usr/local/include。如果头文件不在这些默认目录中，编译器就无法找到它们，会报错。

  使用 -I 选项可以告诉编译器在指定目录中搜索头文件。假设你的头文件在一个自定义目录中，比如 include 目录，可以使用以下命令：

  gcc -Iinclude -o myprogram src/main.c

  这样编译器就会在 include 目录中找到头文件。以下是一个示例：

  // include/myheader.h

  #ifndef MYHEADER_H

  #define MYHEADER_H

  void myFunction();

  #endif

  // src/main.c

  #include "myheader.h"

  #include <stdio.h>

  void myFunction() {

  printf("Hello from myFunction!\n");

  }

  int main() {

  myFunction();

  return 0;

  }

  编译命令：

  gcc -Iinclude -o myprogram src/main.c

• 链接目标文件生成可执行文件：

  gcc -o myprogram file1.o file2.o

1.3 GCC常用选项

• 编译优化：

  -O1、-O2、-O3：不同级别的优化。

  -Os：优化生成的代码大小。

• 调试信息：

  -g：生成调试信息，用于调试程序。

• 警告信息：

  -Wall：启用所有常见的警告。

  -Werror：将所有警告视为错误。

1.4 G++使用

g++用于编译C++程序，使用方法与gcc类似：

• 编译单个C++文件并生成可执行文件：

  g++ -o outputfile sourcefile.cpp

• 编译多个C++文件并生成可执行文件：

  g++ -o myprogram file1.cpp file2.cpp

• 编译并生成目标文件（.o文件）：

  g++ -c file.cpp

  -c：仅编译，生成目标文件（object file）。

• 指定头文件目录：

  g++ -Iinclude -o myprogram src/file1.cpp src/file2.cpp

  -Iinclude：指定包含头文件的目录include。

• 链接目标文件生成可执行文件：

  g++ -o myprogram file1.o file2.o

2.Makefile

Makefile 是用于自动化编译和构建软件项目的工具。在大型项目中，手动编译每个文件非常繁琐，使用 Makefile 可以简化这一过程。Makefile 由一系列规则（rules）组成，每个规则包含目标（target）、依赖（dependencies）和命令（commands）。

2.1 基本结构

一个基本的 Makefile 的规则结构如下：

target: dependencies

command

• target：要生成的文件或目标，可以是可执行文件、目标文件或其他规则。
• dependencies：生成目标所依赖的文件或其他目标。
• command：生成目标所需执行的命令。

2.2 示例

假设有以下项目结构：

project/

├── include/

│ └── myheader.h

├── src/

│ ├── main.c

│ ├── file1.c

│ ├── file2.c

├── Makefile

Makefile 内容如下：

# 指定编译器

CC = gcc

# 编译选项

CFLAGS = -Wall -g -Iinclude

# 源文件目录

SRC_DIR = src

# 所有的源文件

SRCS = $(wildcard $(SRC_DIR)/*.c)

# 生成的目标文件

OBJS = $(SRCS:.c=.o)

# 生成的可执行文件名

TARGET = myprogram

# 默认规则，生成最终的可执行文件

all: $(TARGET)

# 生成最终的可执行文件 $(TARGET)，依赖所有目标文件 $(OBJS)

$(TARGET): $(OBJS)

$(CC) -o $@ $^

# 生成目标文件的规则

$(SRC_DIR)/%.o: $(SRC_DIR)/%.c

$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

# 清理规则

clean:

rm -f $(OBJS) $(TARGET)

# 打印文件列表

print:

@echo "Source files: $(SRCS)"

@echo "Object files: $(OBJS)"

# 伪目标

.PHONY: all clean print

2.3 变量

• CC：指定编译器，通常为 gcc 或 g++。
• CFLAGS：编译选项，如包含目录（-I）、警告（-Wall）、调试信息（-g）等。
• SRCS：源文件列表，由 wildcard 函数生成。
• OBJS：目标文件列表，由源文件列表通过模式替换生成。
• TARGET：最终生成的可执行文件名。

2.4 规则说明

• all 规则：

  all: $(TARGET)

  默认规则，生成目标文件 $(TARGET)。

• $(TARGET) 规则：

  $(TARGET): $(OBJS)

  $(CC) -o $@ $^

  生成最终的可执行文件 $(TARGET)，依赖所有目标文件 $(OBJS)。

• 模式规则：

  $(SRC_DIR)/%.o: $(SRC_DIR)/%.c

  $(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

  通用规则，将 .c 文件编译为 .o 文件。$< 代表第一个依赖文件（即源文件），$@ 代表目标文件（即目标文件）。

• clean 规则：

  clean:

  rm -f $(OBJS) $(TARGET)

  清理规则，删除生成的目标文件和可执行文件。

• print 规则：

  print:

  @echo "Source files: $(SRCS)"

  @echo "Object files: $(OBJS)"

  打印文件列表，使用 @ 符号避免输出命令本身。

• 伪目标：

  .PHONY: all clean print

  声明 all、clean 和 print 为伪目标，以避免与实际文件名发生冲突。伪目标用于告知 make 这些规则不生成文件，而是特殊的操作。因此，make 会忽略它们的时间戳，总是执行这些规则。

2.5 常用命令

• make：

  make

  执行 Makefile 中的默认规则（通常为 all 规则）。

• make clean：

  make clean

  执行 clean 规则，清理生成的文件。

• make -f 其他Makefile文件：

  make -f other_makefile

  使用指定的 Makefile 文件进行构建。

3. CMake

CMake 是一个跨平台的构建系统，用于管理软件的编译过程。在大型项目中，手动管理编译配置非常繁琐，使用 CMake 可以简化这一过程。CMake 通过 CMakeLists.txt 文件定义项目的构建规则。

3.1 基本结构

一个基本的 CMakeLists.txt 的结构如下：

• cmake_minimum_required：指定最低版本的 CMake。
• project：定义项目名称。
• set：设置编译选项和变量。
• include_directories：包含目录。
• add_executable：生成可执行文件。
• add_library：生成库文件（可选）。
• target_link_libraries：链接库文件（可选）。

3.2 示例

假设有以下项目结构：

project/

├── include/

│ └── myheader.h

├── src/

│ ├── main.cpp

│ ├── file1.cpp

│ ├── file2.cpp

├── CMakeLists.txt

CMakeLists.txt 内容如下：

# CMake 最低版本要求

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

# 项目信息

project(MyProject)

# 指定 C++ 标准

set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

# 包含头文件目录

include_directories(include)

# 查找 src 目录下的所有源文件

file(GLOB SRCS "src/*.cpp")

# 生成可执行文件

add_executable(myprogram ${SRCS})

3.3 变量

• CMAKE_CXX_STANDARD：指定 C++ 标准，如 11、14、17 等。
• SRCS：源文件列表，由 file(GLOB) 函数生成。

3.4 命令说明

• cmake_minimum_required：

  cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

  指定最低版本的 CMake。

• project：

  project(MyProject)

  定义项目名称。

• set：

  set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

  设置编译选项，这里指定使用 C++11 标准。

• include_directories：

  include_directories(include)

  包含头文件目录。

• file(GLOB)：

  file(GLOB SRCS "src/*.cpp")

  查找并设置源文件列表，GLOB 表示使用通配符匹配文件。

• add_executable：

  add_executable(myprogram ${SRCS})

  生成可执行文件 myprogram，并指定源文件列表。

3.5 常用命令

• 配置项目：

  cmake .

  在当前目录下生成构建文件。

• 生成项目：

  make

  使用生成的构建文件进行编译。

• 构建目录：

  mkdir build

  cd build

  cmake ..

  make

  创建一个单独的构建目录，进行 out-of-source 构建，保持源代码目录整洁。

• 清理项目：

  手动删除 build 目录或使用 make clean 命令（需在 CMakeLists.txt 中添加相应规则）。

• 打印源文件列表：

  在调试时，可以添加 message 命令以打印源文件列表，确保它们被正确识别：

  message(STATUS "Source files: ${SRCS}")

4. GDB

GDB（GNU 调试器）是一个强大的调试工具，用于调试 C、C++ 和其他语言编写的程序。它可以在程序运行时设置断点、检查变量值、单步执行代码等，帮助开发者找到并修复错误。

4.1 基本命令

• 启动 GDB：

  gdb program

  其中 program 是要调试的可执行文件。

• 运行程序：

  run

  启动程序。如果程序需要参数，可以在 run 命令后添加，例如 run arg1 arg2。

• 设置断点：

  break [file:]function

  break [file:]line

  在指定函数或行设置断点。例如：

  break main

  break myfile.c:10

• 列出断点：

  info breakpoints

  显示当前设置的断点。

• 删除断点：

  delete [breakpoint-number]

  删除指定编号的断点，如果不指定编号则删除所有断点。

• 单步执行：

  step

  next

  step 进入函数内部，next 跳过函数调用。

• 继续运行：

  continue

  继续执行程序，直到遇到下一个断点。

• 打印变量值：

  print variable

  打印变量的当前值。例如：

  print x

• 查看调用栈：

  backtrace

  显示当前的函数调用栈。

• 查看局部变量：

  info locals

  显示当前函数的局部变量。

4.2 示例

假设有以下 C 程序 example.c：

#include <stdio.h>

void function1() {

int x = 10;

printf("x = %d\n", x);

}

int main() {

function1();

return 0;

}

编译程序，并启用调试信息：

gcc -g -o example example.c

启动 GDB 并调试程序：

gdb example

在 GDB 中执行以下命令：

1. 运行程序：

   run

2. 设置断点：

   break function1

3. 继续运行：

   continue

4. 单步执行：

   step

5. 打印变量值：

   print x

6. 查看调用栈：

   backtrace

7. 查看局部变量：

   info locals