C/C++ 开发环境(终端)

Linux 终端系统，例如 Ubuntu 服务器版 ，是不带图形桌面的。因此，在终端系统上做开发，只能依赖一些命令行工具，与 IDE 环境颇有不同。

C 语言

在 Linux 下，一般使用 gcc 编译 C 语言代码。gcc 可以通过包管理工具进行安装，以 Ubuntu 为例：

  1. $ sudo apt install gcc

接下来，我们编译一个非常简单的 C 语言程序 hello_world.c 。代码如下：

hello_world.c

  1. #include <stdio.h>
  3. int main() {
  4.     printf("Hello, world!\n");
  5.     return 0;
  6. }

你可以使用任何编辑工具来编写代码，nano 、 vi ，甚至记事本均可。

代码编辑完毕后，运行 gcc 命令进行编译：

  1. $ ls
  2. hello_world.c
  3. $ gcc -o hello_world hello_world.c

其中， -o 选项指定可执行程序名， hello_world.c 是源码文件。不出意外，当前目录下将出现一个可执行文件：

  1. $ ls
  2. hello_world  hello_world.c

最后，还是在命令行下，将程序运行起来。看，程序输出预期内容：

  1. $ ./hello_world
  2. Hello, world!

C++ 语言

C++ 语言编译与 C 语言类似，只不过编译工具不再是 gcc ，而是 g++ 。同样地， g++ 也可以通过包管理工具来安装：

  1. $ sudo apt install g++

还是编译一个简单的程序 hello_world.cpp ，代码如下：

hello_world.cpp

  1. #include <iostream>
  3. using std::cout;
  4. using std::endl;
  6. int main() {
  7.     cout << "Hello, world!" << endl;
  8.     return 0;
  9. }

运行 g++ 命令进行编译，用法与 gcc 一样：

  1. $ ls
  2. hello_world.c
  3. $ g++ -o hello_world hello_world.cpp

编译完毕后，执行程序：

  1. $ ./hello_world
  2. Hello, world!

多文件

大型程序一般由多个文件组成，编译多文件程序，将所有源码文件传给编译器即可。

以 C 语言为例，将 hello_world.c拆解成两个文件进行演示。首先是 say.c ：

multi-file/say.c

  1. #include <stdio.h>
  3. void say_hello() {
  4.     printf("Hello, world!\n");
  5. }

say.c 定义了一个函数，名为 say_hello 用于输出 Hello, world! 。

在 hello_world.c 中，直接调用 say_hello 即可：

multi-file/hello_world.c

  1. void say_hello();
  3. int main() {
  4.     say_hello();
  5.     return 0;
  6. }

编译这个由两个文件组成的程序，步骤也非常简单：

  1. $ gcc -o hello_world hello_world.c say.c

请注意，需要在 hello_world.c 中申明函数 say_hello 的原型(第 1 行)，否则编译将输出以下警告：

  1. hello_world.c:17:5: warning: implicit declaration of function 'say_hello' is invalid in C99 [-Wimplicit-function-declaration]
  2.         say_hello();
  3.         ^
  4. 1 warning generated.

原型申明相当于告诉编译器，say_hello 函数在别处定义，调用时不需要参数，也没有返回值。编译器编译 hello_world.c 时需要这个信息，因为 say_hello 函数的定义不在该文件下。

编译流程

如下图，程序编译可以进一步分成 编译 ( Compile )和 链接 ( Link )两个阶段：

../_images/aab7362f4faa5b506b990c5166e7433e.png

接下来，我们分阶段编译 multi-file2 ，源文件如下：

  1. $ cd multi-file2
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h

先 编译say.c 文件，生成 say.o 对象文件：

  1. $ gcc -c say.c
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h  say.o

再 编译hello_world.c 文件，生成 hello_world.o 对象文件：

  1. $ gcc -c hello_world.c
  2. $ ls
  3. hello_world.c  hello_world.o  say.c  say.h  say.o

最后 链接 俩对象文件，生成可执行程序：

  1. $ gcc -o hello_world hello_world.o say.o
  2. $ $ ./hello_world
  3. Hello, world!

注解

为啥要分阶段编译？

分阶段编译最大的好处是，可以进行部分编译—— 只编译有变更部分 。

假设例子中， hello_world.c 有变更，而 say.c 没有变更。那么，我们只需要编译 hello_world.c 生成新的 hello_world.o 对象文件，最后再跟先前的 say.o 文件链接生成新的可执行文件即可。

换句话将，我们省去了编译 say.c 的麻烦！这个小程序可能不明显，在大型程序中节省的编译时间非常可观。

自动构建

我们尝到部分编译的好处，但是区分哪些源码文件有变更是个麻烦事儿。而且，手工敲这么多编译命令也很无聊，我们急需一种能够自动构建的方法。

这时，我们可以借助自动化构建工具 make) ：

  1. $ sudo apt install make

构建规则定义在 Makefile 里：

Makefile

  1. .DEFAULT_GOAL := run
  3. say.o: say.c
  4.     gcc -o say.o -c say.c
  6. hello_world.o: hello_world.c
  7.     gcc -o hello_world.o -c hello_world.c
  9. hello_world: say.o hello_world.o
  10.     gcc -o hello_world say.o hello_world.o
  12. run: hello_world
  13.     ./hello_world
  15. clean:
  16.     rm -f *.o
  17.     rm -f hello_world

Makefile 规则可以很复杂，这里只介绍最基本的。

Makefile 大致可以理解成 目标 、 依赖 以及 构建指令 。

以第 3-4 行为例， say.o 是构建 目标 ， say.c 是 依赖 ，其后以制表符( \t )缩进的行是 构建指令 。换句话将，要构建 say.o 需要依赖 say.c 源码文件，构建方法是执行 gcc 编译命令。

依赖定义清楚之后， make 可以决定什么情况下需要重新构建，什么情况下则不用。如果 say.c 有变更( mtime 比 say.o 大)，则需要重新运行构建指令生成新的 say.o 。反之则不用。

此外，目标可以被其他目标所依赖，就像搭积木一样！执行程序( run )，依赖二进制程序( hello_world )，二进制程序则依赖两个目标文件( say.o, hello_world.o )，而目标文件又分别依赖各自的源码文件。通过递归， make 自动找到了构建并运行程序的方法！

Makefile 定义好后，运行 make 命令加上目标名即可构建指定的目标。例如，编译 say.o ：

  1. $ make say.o

或者编译并生产可执行程序( hello_world )：

  1. $ make hello_world

make 命令将确保俩子目标( say.o 以及 hello_world.o )先被正确构建。

最后，一起感受一下自动构建有多爽。进入 auto-build 目录：

  1. $ cd auto-build
  2. $  ls
  3. hello_world.c  Makefile  say.c  say.h

执行 make 命令：

  1. $ make
  2. gcc -o say.o -c say.c
  3. gcc -o hello_world.o -c hello_world.c
  4. gcc -o hello_world say.o hello_world.o
  5. ./hello_world
  6. Hello, world!

一个 make 命令搞定从编译到执行的所有环节！

注解

缺省情况下， Makefile 定义的第一个目标是默认目标。

我们在 Makefile 第一行显式定义了默认目标。

由于没有变更，再次构建时自动省略编译环节：

  1. $ make
  2. ./hello_world
  3. Hello, world!

顺便提一下，我们的 Makefile 还定义了一个用于清理编译结果的目标—— clean ：

  1. $ ls
  2. Makefile  hello_world  hello_world.c  hello_world.o  say.c  say.h  say.o
  3. $ make clean
  4. rm -f *.o
  5. rm -f hello_world
  6. $ ls
  7. Makefile  hello_world.c  say.c  say.h

清理编译结果在打包源码、进行全新编译等场景特别有用。

程序库

可复用的代码，一般编译成程序库来使用。程序库可以分成两种：

  • 静态链接库
  • 动态链接库

静态库

静态库的全称是静态链接程序库，在程序编译阶段被链接进可执行程序。

接下来，我们将 say.c 编译成一个静态库，以此演示制作并使用静态库的方法。

进入 static-library 目录：

  1. $ cd static-library
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h

编译 say.c ：

  1. $ gcc -c say.c
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h  say.o

将目标文件打包成静态库，库名为 libsay.a ：

  1. $ ar -crv libsay.a say.o
  2. a - say.o
  3. $ ls
  4. hello_world.c  libsay.a  say.c  say.h  say.o

编译 hello_world.c 时指定链接静态库：

  1. $ gcc -o hello_world hello_world.c libsay.a
  2. $ ./hello_world
  3. Hello, world!

动态库

对应地，动态库的全称是动态链接程序库。

与静态库不同，动态库不链接进可执行程序。相反，程序只记录需要的动态库，直到运行时才搜索并加载。因此，采用动态库的程序，编译后生成的可执行文件更为短小。

接下来，我们将 say.c 编译成一个动态库，以此演示制作并使用动态库的方法。

进入 dynamic-library 目录：

  1. $ cd dynamic-library
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h

编译 say.c ：

  1. $ gcc -fPIC -c say.c
  2. $ ls
  3. hello_world.c  say.c  say.h  say.o

注意到，通过 -fPIC 告诉 gcc 生成位置无关代码( Position-Independent Code )。这是制作动态库所必须的。

使用 gcc 生成动态库( -shared )，库名为 libsay.so ：

  1. $ gcc -shared -o libsay.so say.o
  2. $ ls
  3. hello_world.c  libsay.so  say.c  say.h  say.o

在编译 hello_world.c 时，链接到生成的动态库：

  1. $ gcc -o hello_world hello_world.c -L. -lsay

其中，选项 -L 指定动态库搜索路径； -l 指定需要链接的动态库名，可以多次指定。

好了，启动程序。然而，程序异常退出了：

  1. $ ./hello_world
  2. ./hello_world: error while loading shared libraries: libsay.so: cannot open shared object file: No such file or directory

原因是程序启动后找不到 libsay.so 动态库文件。

系统默认在 /lib 、 /usr/lib 等路径下搜索动态库。因此，可以将生成的动态库放置到上述目录再运行程序。

另一种方法是，通过 LD_LIBRARY_PATH 环境变量指定动态库搜索路径：

  1. $ LD_LIBRARY_PATH=. ./hello_world
  2. Hello, world!

下一步

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