Linux 环境编程 day01 Linux系统介绍、GNU编译工具、静态/共享库、环境变量表

Linux 环境编程 day01 Linux系统介绍、GNU编译工具、静态/动态库、环境变量表

• 学习Linux环境编程的原因
• UNIX系统介绍
• Linux系统介绍
• GNU工程
• POSIX标准
• GNU通用公共许可证
• GNU编译工具
• 库
• 辅助工具
• 错误处理

学习Linux环境编程的原因

  C语言、C++语言、数据结构和算法，重点关注算法逻辑，不关注平台。
  UNIX系统、Linux系统，重点关注系统接口，需要关注代码的运行平台。
  通过学习操作系统的接口，来提高函数的设计能力，在理解操作系统的运行机制的基础上，写出功能更强、更安全、更高效的代码。

UNIX系统介绍

诞生于1971年美国AT&T公司的贝尔实验室，主要开发者是丹尼斯.里奇、肯.汤普逊。
系统特点：多用户、多任务、支持多种处理器架构、高安全性、高可靠性、高稳定性。
既可以构建大型关键业务系统的商业服务器，也可以构建面向移动终端、手持设备、可穿戴设备的嵌入式应用。（苹果的内核就是unix）

Linux系统介绍

是一款类UNIX系统，免费开源，不同的发行版使用相同的内核，一般用在手机、平板、路由器、台式计算机、大型计算机、超级计算机。

从严格意义上来说，Linux仅指的是操作系统内核，隶属于GNU工程，发起人叫 Linus Benedict Torvalds。

标志：是一只企鹅，是南极的标志性动物，而目前南极不属于任何国家，为全人类所共有的，而Linux用它来当操作系统就意味这款系统属于全人类。

Minix操作系统：荷兰的Andrew S. Tanenbaum教授所开发的一款不包含任何UNIX源码的类UNIX系统，Linus Torvalds虽然深受Minix的启发写出了第一版本的Linux内核。

GNU工程

发起于1984年，由*软件基本会提供支持，它基本原则就是共享，目的是发展出一个有别一切商业UNIX系统的，免费且开源的类UNIX系统，也叫GNU Linux，是目前全球最大的开源组织。

POSIX标准

可移植操作系统接口（英语：Portable Operating System Interface，缩写为POSIX）是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行软件，而定义API的一系列互相关联的标准的总称。

Linux完全遵循了POSIX标准，所以在Linux下编写的代码，经过稍微修改可移植到UNIX上。这两操作系统的API，名字相同、参数相同、返回值相同。

GNU通用公共许可证

简称为GPL，是由*软件基金会发行的用于计算机软件的协议证书，使用该证书的软件被称为*软件。大多数的GNU程序和超过半数的*软件使用它。

GNU编译工具

是GNU组织为了编译Linux内核源码而开发的一款编译工具，经过长时间的发展目前已经成为一个编译平台，能够支持多种编程语言(C、C++、Java、Objective-C、Ada、C#)和操作系统(UNIX、Linux、Windows)，gcc -v 可以查看编译器版本。

构建(Build)过程：预处理、编译、汇编、链接
    gcc -E code.c -o code.i -> code.i
    gcc -S code.i -> code.s
    gcc -c code.s -> code.o
    gcc code.o ... -> a.out

文件后缀：
    .h 头文件
    .h.gch 头文件的编译结果，会被优先使用，建议立即删除
    .c 源文件
    .i 预处理文件
    .s 汇编文件
    .o 目标文件
    .a 静态库文件
    .so 共享(动态)库文件

参数：
    -E 预处理
    -S 产生汇编文件
    -c 只编译不链拉
    -o 指定输出文件的名字
    -Wall 尽可能多的产生警告
    -Werror 把警告当错误处理
    -x 指定源代码的语言
    -g 生成调试信息
    -I 指定头文件的加载路径
    -L 指定库文件的加载路径
    -lname 要额外加载的库名libname.a libname.so
    -pedantic 对不符全ANSI标准的语法产生警告(对gcc扩展的语法产生警告)。
    	以下几个都是GNU独有的语法：
        typeof 
        case 1 ... 5
        #define debug(...)

编译多个文件：
    1、头文件作用
        头文件卫士
        声明外部变量、函数、类、结构、联合、枚举
        定义宏、类型别名
        包含其它头文件
        
    2、包含头文件时要注意
        #include <> 从系统指定的位置加载。
        #include "" 先从当前目录下加载，如果当前目前没有再从系统指定的位置加载。
    当没函数声明时，编译器会猜测函数的格式，这种猜测行为叫函数隐式声明。

编译器支持的预处理指令：
    #include 导入头文件
    #define 定义宏常量、宏函数
        ## 连接两个标识符
        # 把参数转换成字符串字面值
    #undef 删除宏
    #if 判定
    #ifdef/#ifndef 宏定义判定
    #else 与#if/#ifdef/#ifndef配合使用
    #elif 相当于else if
    #endif 判定的结束标志
    #error 产生错误
    #warning 产生警告
    #line 修改当前行号
    #pragma GCC dependency "文件名.c" 监控某个文件不被私自修改
    #pragma GCC poison <标识> 把某个标识符当病毒处理，监控某个标识符不被使用。
    #pragma pack(1/2/4) 修改结构、联合的补齐、对齐字节数
预定义的宏：
    __FILE__    文件名
    __func__    函数名
    __LINE__    行号
    __DATE__    日期
    __TIME__    时间

头文件的三种定位方式：
1、#include "路径/xxx.h" 直接把路径写在代码中，但如果头文件路径发生变化，需要修改源代码。

2、gcc -I目录 在编译时指定加载头文件的路径。（大写的i，不是小写L）加了这个之后添加头文件可以使用<>和""添加指定目录的头文件
例如：有一个头文件tools.h在上一级目录，那么在编译的时候输入gcc 源文件名 -I ../，就能把这个头文件导入了。 

3、设置C_INCLUDE_PATH环境变量，来添加头文件的查找路径。添加完之后，可以用#include<头文件名>导入该头文件了。
    打开配置文件：vim ~/.bashrc
    在文件末尾添加一行内容： export C_INCLUDE_PATH=$C_INCLUDE_PATH:.......（.....处填写需要加入头文件的位置）
    重新加载配置文件：source ~/.bashrc
    env命令可以查看所有环境变量。
    扩展：PATH环境变量代表是命令的查找路径，把.添加进去以后再执行程序就不需要./了。
    注意：删除环境变量时需要退出终端，再重新打开

库

库：也叫代码库，把一个些目标文件合并在一起方便使用，有静态库和共享库两种。
静态库：在链接时把库的二进制指令复制到调用模块中。
共享库：会和调用者一起加载到内存，当执行调用语句时会从程序的调用位置跳转到共享库中运行。
优缺点：
    静态库的优点是运行速度快，但维护麻烦，当静态库中人内容更新后需要重新编译程序，使用静态库编译出的可执行文件会比共享库的要大。
    共享库的优点是使用方便，共享库如果发生变化不需要重新编译程序，使用它编译出的可执行文件比使用静态库要小，运行速度要比使用静态库慢。
注意：静态库的扩展名是.a，共享库的扩展名是.so，共享库要有执行权限。

静态库的创建与使用

1、创建静态库
    编辑静态库原码：vim .c/.h
    编译出目标文件：gcc -c xxx.c -> xxx.o
    把目标文件打包成静态库文件：ar -r libxxx.a x1.o x2.o ...
    ar 是一个专门控制静态库的命令
        -r 把目录文件合并成一个静态库，如果静态库文件已经存在则更新。
        -q 向静态库中添加目录文件
        -t 查看静态库中有哪些目标文件
        -d 从静态库中删除目标文件
        -x 把静态库展开为目标文件 
2、使用静态库
    1、直接调用
    把共享库当作目标文件一样，与调用者的目标文件一起合并出可执行文件。
    gcc main.c libtools.a

    2、通过gcc -L参数来指定库的路径
    gcc main.c -L../tools/ -ltools

    3、通过设置LIBRARY_PATH环境变量来指定库的路径
        1、打开~/.bashrc文件 vim ~/.bashrc
        2、在末尾添加：export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH":/home/zhizhen/tools/"
        3、保存退出后，执行:source ~/.bashrc
    gcc main.c -l 头文件名字（无后缀） 需要通过-l来指定库名

共享库的创建与使用

1、创建共享库
    编辑静态库原码：vim .c/.h
    编译出目标文件：gcc -c -fpic xxx.c -> xxx.o
    把目标文件打包成共享库：gcc -shared x1.o x2.o ... -o libxxx.so
    -fpic编译出位置无关代码，在代码中使用相对地址，这样共享库就可以遇到内存的任何位置。
2、使用共享库
    1、直接调用
    gcc main.c libcalc.so
    注意：需要设置共享的加载路径，LD_LIBRARY_PATH

    2、通过设置LIBRARY_PATH环境变量来指定库的路径
    gcc main.c -l calc 需要通过-l来指定库名
    注意：如果静态库和共享库同时存在，优先使用共享库，通过-static可以指定使用静态库。

    3、通过gcc -L参数来指定库的路径
    gcc main.c -L./calc/ -lclac

    4、动态加载共享库
    #include <dlfcn.h>
    void *dlopen(const char *filename, int flag);
    功能：打开共享库
    filename：共享库的路径
    flag：打开方式
        RTLD_LAZY：延迟加载，使用到共享库时再加载
        RTLD_NOW：立即加载
    返回值：成功返回共享库的句柄，失败返回NULL

    void *dlsym(void *handle, const char *symbol);
    功能：通过函数名在共享库中获取函数指针
    handle：共享库的句柄
    symbol：函数名
    返回值：函数地址，失败返回NULL

    char *dlerror(void);
    功能：获取错误信息

    int dlclose(void *handle);
    功能：卸载共享库
    注意：编译时添加-ldl参数

辅助工具

nm：查看目标文件、可执行文件、静态库、共享库文件的符号列表。
ldd：查看可执行文件依赖了哪些共享库
strip：删除目标文件、可执行文件、静态库、共享库文件中符号列表、调试信息，可以有效降低文件的大小。
objdump：可以显示二进制文件的汇编信息

错误处理

通过函数返回值表式错误

    1、返回值合法表示成功，非法表示失败。
    2、返回有效指针表示成功，返回NULL/0xFFFFFFFF 表示失败。
    3、成功返回0，失败返回-1。
    4、永远成功，如：printf

通过errno表示错误，系统的API出错时会影响errno的值。

    可以根据errno的错误编号来获取错误原因
    1、strerror 根据errno错误转换字符串信息
    2、printf %m 同上
    3、perror 同上
    注意：errno是一个全局的变量，需要通过函数的返回值判断函数执行是否出错误，再通过errno获取错误原因。
    如果API执行成功并不会修改errnor值，所以不能通过errno的值判断函数执行是否成功。

九、环境变量表
每个程序执行时都收到一张操作系统传递给的环境变量表，方便该程序了解当系统的环境配置，env命令可以在终端查看环境变量表。

环境变量表是一个以NULL结尾的字符指针数数组。
该表是系统环境变量的拷贝，程序对当前这张进行修改，并不影响操作系统。
char *getenv(const char *name);
功能：根据环境变量名获取环境变量的值

int putenv(char *string);
功能：name=value向环境变量表中添加环境变量，环境变量不存在则添加，存在则修改。
返回值：0表示成功，非零表示失败
注意：不会把字符串拷贝到环境变量表中，而是把字符串地址存储到数组中。

int setenv(const char *name, const char *value, int overwrite);
功能：以name,value的形式向环境变量表添加环境变量，如果环境变量不存在则直接添加，如果存在则根据overwrite参数进行修改。
overwrite：
    零 环境变量已经存在则不修改
    非零 功能相当于putenv
返回值：0表示成功，非零表示失败

int unsetenv(const char *name);
功能：删除环境变量
返回值：0表示成功，非零表示失败

int clearenv(void);
功能：清空环境变量