（2）《基于Linux的C编程与内核导读》--DDD和Makefile

本部分是第一章的第3、4两节，分别讲DDD和makefile。

1.3 使用DDD进行程序调试
GNU DDD是命令行调试程序，如GDB、DBX、WDB、Ladebug、JDB、XDB、Perl Debugger或Python Debugger的可视化图形前端。它特有的图形数据显示功能（Graphical Data Display）可以把数据结构按照图形的方式显示出来。DDD最初源于1990年Andreas Zeller编写的VSL结构化语言，后来经过一些程序员的努力，演化成今天的模样。DDD的功能非常强大，可以调试用C/C++、Ada、Fortran、Pascal、Modula-2和Modula-3编写的程序；可以超文本方式浏览源代码；能够进行断点设置、回溯调试和历史纪录编辑；具有程序在终端运行的仿真窗口，并在远程主机上进行调试的能力；图形数据显示功能（Graphical Data Display）是创建该调试器的初衷之一，能够显示各种数据结构之间的关系，并将数据结构以图形化形式显示；具有GDB/DBX/XDB的命令行界面，包括完全的文本编辑、历史纪录、搜寻引擎。
DDD是开源软件，用户可以去http://www.cs.tubs.de/softech/ddd/下载.rpm格式的DDD源码文件。
图1-4显示的是DDD的主窗口。它主要由选单栏、工具条、数据窗口、源文件窗口、机器码窗口、控制台和命令工具窗口等几部分组成。其中，数据窗口用于观察复杂的数据结构，在删除数据之后，显示仍然有效；源文件窗口显示源代码、断点和当前执行到达的位置，选择该窗口中的“Display”项，可以显示任意表达式的值；机器码窗口显示当前所选函数的机器代码，但仅对于GDB来说是可用的；在Debugger控制台里，用户可以与DDD内置调试器的命令行接口进行交互，等同于执行命令工具栏中的命令。

图1-4 DDD的主窗口图

1.3.1 DDD运行机理

在设计DDD的时候，主创人员决定把它与GDB之间的耦合度尽可能降小。因为像GDB这样的开源软件，更新要比商业软件快。所以为了使GDB的变化不会影响到DDD，在DDD中，GDB是作为独立的进程运行的，通过命令行接口与DDD进行交互。
DDD的运行机理如图1-5所示。它显示了用户、DDD、GDB和被调试进程之间的关系。为了使响应时间变小，DDD和GDB之间的所有通信都是异步进行的。在DDD中发出的GDB命令都会与一个回调例程相连，放入命令队列中。这个回调例程在合适的时间会处理GDB的输出。例如，如果用户手动输入一条GDB的命令，DDD就会把这条命令与显示GDB输出的一个回调例程连起来。一旦GDB命令完成，就会触发回调例程，GDB的输出就会显示在DDD的命令窗口中。

图1-5 DDD的运行机理图

DDD在事件循环时等待用户输入和GDB输出，同时等着GDB进入等待输入状态。当GDB可用时，下一条命令就会从命令队列中取出，送给GDB。GDB到达的输出由上次命令的回调过程来处理。这种异步机制避免了DDD在等待GDB输出时发生阻塞现象，到达的事件可以在任何时间得到处理。DDD和GDB的分离使得DDD运行速度变慢，但这种方法还有很多好处。例如，用户可以把GDB调试器换成其它调试器，如DBX等。另外，还可以在不同的机器上运行GDB和DDD。

1.3.2 DDD调试示例

现在就用DDD来实际调试下面sample.c这段程序，为了节省空间，去掉了所有的注释。

/*********************sample.c*******************/ /*************this example is used to learn DDD**************/ #include #include #define MAXINPUTSTRINGSIZE 5 int n; int factn; char resultstring[100]; int getInt() { char * inputString; int inputInt; inputString = (char *) malloc (MAXINPUTSTRINGSIZE * sizeof(char)); printf("Enter the value:"); fgets(inputString, MAXINPUTSTRINGSIZE, stdin); printf("You entered %s/n", inputString); inputInt = atoi(inputString); return inputInt; } int computeFact(int n) { int ac***=0; while(n>1) { ac*** *= n; n--; } return ac***; } char * buildResultString(int x, int factx) { char * resultString = (char *) malloc(100 * sizeof(char)); sprintf(resultString, "The factorial of %d is %d/n", x, factx); return resultString; } void main(int argc, char * argv[]) { char * outString; n = getInt(); factn = computeFact(n); outString = buildResultString(n, factn); printf("%s/n",outString); }

首先，使用下面的命令编译sample.c，切记要使用“-g”选项生成调试信息：
＃gcc -g -o sample sample.c
接着运行sample程序，输入数值“5”后，可以看到如下结果：
You entered 5
The factorial of 5 is 0
可以看出，上面程序中是有错误的，需要进行调试。输入下面的命令启动DDD调试器，调试这个可执行程序：
＃DDD sample
一段时间之后，DDD的主窗口就会出现。找到怀疑出错的地方，在相应的代码上设置断点（在有怀疑的行上单击鼠标左键，然后单击工具栏中的“Break”按钮）。然后单击命令工具栏上的运行按钮或在选单栏“Commands”里选择运行相关命令，如图1-6所示。

图1-6 断点的设置
在控制台中提示符下输入数字“5”后按回车键，就会运行到图3中箭头指示的位置。这时候检查可疑变量ac***的值，在控制台提示后输入下面的命令：
(gdb) display ac***
接着往下单步运行，多次点击工具栏中的“Step”按钮，观察变量ac***的结果。具体参考如下：

(gdb) step 43 while(n>1) { 1: ac*** = 0 (gdb) 44 ac*** *= n; 1: ac*** = 0 (gdb) 45 n--; 1: ac*** = 0 (gdb) 43 while(n>1) { 1: ac*** = 0 (gdb) 44 ac*** *= n; 1: ac*** = 0 (gdb) 45 n--; 1: ac*** = 0

可以看出问题出在ac***上。这时点击命令工具栏上的“Kill”按钮将程序断掉，把初始化ac***的那一句改为“int ac*** = 1;”。重新运行之后，发现结果正确。至此，调试过程完毕。

1.3.3 特殊功能

上面只是粗略地介绍了DDD调试的方法。实际上，DDD还有一些与众不同的功能，例如可视化显示数据结构（单个结构体、二叉树、链表等）和绘制数据集等。
图1-7就是按点集绘制的数组sval中保存的数据（首先在源码窗口选中要显示的数组，然后点击工具栏中的“Plot”按钮，即会出现绘制窗口）。用户也可以不按数据点集显示，在弹出窗口选单“Plot”下选择“Lines”，就可以显示成连线段。这个功能非常直观，对于调试程序有很大的帮助作用。

图1-7 绘制数据集

DDD包含的内容不止这些，由于篇幅的限制，这里就不多说了。希望能起到抛砖引玉的作用。如果用户想进一步学习，可以参考DDD的用户手册。
1.4 makefile文件的编写
1.4.1 为什么要编写makefile文件
记得在学习过程中曾经看过网上的一则帖子，上面有这么一段话“make 是所有想在Linux系统上编程的用户必须掌握的工具。如果你写的程序中没有用到 make ，则说明你写的程序只是个人的练习程序，不具有任何实用的价”。也许这么说有点儿偏激，但 make 实在是应该用在任何稍具规模的程序中的。下面就举个简单的例子来说明原因。
假设我们有下面这样的一个程序,源代码如下:

/***********main.c****************/ #include "mytool1.h" #include "mytool2.h" void main() { mytool1_print("hello"); mytool2_print("hello"); }

/*********** mytool1.h ****************/ #ifndef _MYTOOL_1_H #define _MYTOOL_1_H void mytool1_print(char *print_str); #endif

/************mytool1.c************/ #include "mytool1.h" void mytool1_print(char *print_str) { printf("This is mytool1 print %s/n",print_str); }

/*********** mytool2.h ****************/ #ifndef _MYTOOL_2_H #define _MYTOOL_2_H void mytool2_print(char *print_str); #endif

/************mytool2.c************/ #include "mytool2.h" void mytool2_print(char *print_str) { printf("This is mytool2 print %s/n",print_str); }

当然由于这个程序是很短的我们可以这样来编译
gcc -c main.c
gcc -c mytool1.c
gcc -c mytool2.c
gcc -o main main.o mytool1.o mytool2.o
这样的话我们也可以产生main程序,而且也不时很麻烦.但是如果我们考虑一下如果有一天我们修改了其中的一个文件(比如说mytool1.c)那么我们难道还要重新输入上面的命令？也许你会说,这个很容易解决啊,我写一个SHELL脚本,让她帮我去完成不就可以了.是的对于这个程序来说,是可以起到作用的.但是当我们把事情想的更复杂一点,如果我们的程序有几百个源程序的时候,难道也要编译器重新一个一个的去编译?
为此,聪明的程序员们想出了一个很好的工具来做这件事情,这就是make.我们只要执行一下make,就可以把上面的问题解决掉.在我们执行make之前,我们要先编写一个非常重要的文件.--Makefile.对于上面的那个程序来说,可能的一个Makefile的文件是:

# 这是上面那个程序的Makefile文件 main:main.o mytool1.o mytool2.o gcc -o main main.o mytool1.o mytool2.o main.o:main.c mytool1.h mytool2.h gcc -c main.c mytool1.o:mytool1.c mytool1.h gcc -c mytool1.c mytool2.o:mytool2.c mytool2.h gcc -c mytool2.c

有了这个Makefile文件,不过我们什么时候修改了源程序当中的什么文件,我们只要执行make命令,我们的编译器都只会去编译和我们修改的文件有关的文件,其它的文件她连理都不想去理的。

1.4.2 makefile的基本规则

既然makefile文件这么重要，那么就让我们一步步来学习makefile的一些知识首先我们看一下makefiel文件的结构。Makefiel文件里主要是有关哪些文件（‘target’目的文件）是从哪些别的文件（‘dependencies’依靠文件）中产生的，用什么命令来进行这个产生过程。有了这些信息，make会检查磁碟上的文件，如果目的文件的时间戳（该文件生成或被改动时的时间）比至少它的一个依靠文件旧的话， make 就执行相应的命令，以便更新目的文件。（目的文件不一定是最后的可执行档，它可以是任何一个文件。）
makefile 一般被叫做“makefile”或“Makefile”。当然你可以在 make 的命令行指定别的文件名。如果你不特别指定，它会寻找“makefile”或“Makefile”，因此使用这两个名字是最简单的。
在Makefile中也#开始的行都是注释行。Makefile中最重要的是描述文件的依赖关系的说明。一般的格式是:
target: components
TAB rule
第一行表示的是依赖关系。第二行是规则.比如说我们上面的那个Makefile文件的第二行main:main.o mytool1.o mytool2.o表示我们的目标(target)main的依赖对象(components)是main.o mytool1.o mytool2.o
当倚赖的对象在目标修改后修改的话,就要去执行规则一行所指定的命令.就象我们的上面那个Makefile第三行所说的一样要执行 gcc -o main main.o mytool1.o mytool2.o
注意规则一行中的TAB表示那里是一个TAB键，若缺少系统则会提示错误“***missing separator.stop”，这是许多初学者容易忽略的地方，要注意！

1.4.3 makefile 变量

上面提到 makefiles 里主要包含一些规则。它们包含的其它的东 西是变量定义。
makefile 里的变量就像一个环境变量(environment variable)。 事实上，环境变量在 make 过程中被解释成 make 的变量。这些 变量是大小写敏感的，一般使用大写字母。它们可以从几乎任何 地方被引用，也可以被用来做很多事情，比如：
1.贮存一个文件名列表。在上面的例子里，生成可执行文件的 规则包含一些目标文件名做为依靠。在这个规则的命令行 里同样的那些文件被输送给 gcc 做为命令参数。如果在这 里使用一个变数来贮存所有的目标文件名，加入新的目标 文件会变的简单而且较不易出错。
2.贮存可执行文件名。如果你的项目被用在一个非 gcc 的系 统里，或者如果你想使用一个不同的编译器，你必须将所 有使用编译器的地方改成用新的编译器名。但是如果使用一个变量来代替编译器名，那么你只需要改变一个地方，其 它所有地方的命令名就都改变了。
3.贮存编译器旗标。假设你想给你所有的编译命令传递一组 相同的选项（例如 -Wall -O -g）；如果你把这组选项存 入一个变量，那么你可以把这个变量放在所有呼叫编译器的地方。而当你要改变选项的时候，你只需在一个地方改 变这个变量的内容。
要设定一个变量，你只要在一行的开始写下这个变量的名字，后 面跟一个 = 号，后面跟你要设定的这个变量的值。以后你要引用这个变量，写一个 $ 符号， 后面是围在括号里的变量名。下面举一个简单的例子，其作用和gcc –Wall –O –g test test.c是一样的：

…… CFLAGS = -Wall -O –g …… gcc $(CFLAGS) test test.c ……

Makefile有三个非常有用的变量.分别是$@,$^,$<代表的意义分别是: $@--目标文件,$^--所有的依赖文件,$<--第一个依赖文件.
如果我们使用上面三个变量,那么我们可以简化我们的Makefile文件为:

# 这是简化后的Makefile main:main.o mytool1.o mytool2.o gcc -o $@ $^ main.o:main.c mytool1.h mytool2.h gcc -c $< mytool1.o:mytool1.c mytool1.h gcc -c $< mytool2.o:mytool2.c mytool2.h gcc -c $<

1.4.4 makefile 函数

makefile 里的函数跟它的变量很相似——使用的时候，你用一个 $ 符号跟开括号，函数名，空格后跟一列由逗号分隔的参数，最后用关括号结束。例如，在 GNU Make 里有一个叫'wildcard'的函 数，它有一个参数，功能是展开成一列所有符合由其参数描述的文件名，文件间以空格间隔。你可以像下面所示使用这个命令：
SOURCES = $(wildcard *.c)
这行会产生一个所有以'.c' 结尾的文件的列表，然后存入变量 SOURCES 里。当然你不需要一定要把结果存入一个变量。
另一个有用的函数是 patsubst （ patten substitude, 匹配替 换的缩写）函数。它需要3个参数——第一个是一个需要匹配的式样，第二个表示用什么来替换它，第三个是一个需要被处理的由空格分隔的字列。例如，处理那个经过上面定义后的变量，
OBJS = $(patsubst %.c,%.o,$(SOURCES))
这行将处理所有在SOURCES字列中的字（一列文件名），如果它的结尾是'.c'，就用'.o'把'.c'取代。注意这里的 % 符号将匹配一个或多个字符，而它每次所匹配的字串叫做一个‘柄’(stem)。 在第二个参数里，%被解读成用第一参数所匹配的那个柄。
好了,我们的Makefile也差不多了,如果想知道更多的关于Makefile规则可以查看相应的文档。