第一章 Linux系统编程入门
提示：欢迎查看本文所属专栏：Linux 网络编程笔记，在这里你可以学习 Linux 命令的基本使用、远程开发 Linux程序、计算机网络基础知识、操作系统基础知识和 Linux 网络编程基础等，这些知识，可以帮助我们很好的入门 Cpp服务器开发 所需的网络编程知识。
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前言
看到标题，读者可能会很好奇，这不是网络编程笔记专栏吗，怎么第一篇文章是 Linux 系统编程入门 ，其实原因很简单，在我们学习 Linux 网络编程前，需要先学习怎么在 Linux 中进行 C 语言编程，这部分内容属于 Linux 系统编程 入门的内容，当然，Linux 网络编程也离不开它。
2.1 Linux开发环境的搭建
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准备Linux操作系统，可以是虚拟机的形式，也可以是云服务器的形式。
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安装XSHELL和XFPT，主要用于远程连接Linux（可以在XSHELL中运行Linux终端）和OS之间的文件传输，这里需要给Linux安装SSH环境。
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在VSCode下安装Remote Development插件，用于远程连接Linux，在Linux环境下进行程序的开发，比直接在linux中方便。
2.2 GCC上
2.2.1 GCC基本概念
GCC原名为C语言编译器（GNU C Complier），现在是GNU编译器套件（GNU Cmopiler Collection），该编译器套件包括C、C++、Objective-C、Java、Ada和Go语言前端，也包括了libstdc++, libgcj等语言的库，此外，GCC还可以区别C语言不同的标准。
2.2.2 GCC工作流程
源代码 ==> 预处理 ==> 预处理后的源代码(.i) ==> 编译 ==> 汇编代码(.S) ==> 汇编 ==> 目标代码(.O) ==> 链接（包括启动代码，库代码和其他目标代码） ==> 可执行程序
2.2.3 GCC常用的参数选项
| gcc编译选项 | 说明 |
|---|---|
| -E | 预处理指定的源文件，不进行编译 |
| -S | 编译指定的源文件，不进行汇编 |
| -c | 编译、汇编指定的源文件，但不进行链接 |
| -o [file1] [file2] or [file2] -o [file1] | 将文件 file2 编译成可执行文件 file1 |
| -I directory | 指定 include 包含文件的搜索目录 |
| -g | 在编译的时候，生成调试信息，该程序可以被调试器调试 |
| -D | 在程序编译的时候，指定一个宏 |
| -w | 不生成任何警告信息 |
| -Wall | 生成所有警告信息 |
| -On | n的取值范围：0~3，编译器优化选项的4个级别，-O0表示没有优化，-O1为缺省值，-O3优化级别最高 |
| -l | 在程序编译的时候，指定使用的库（l后面追加需要使用的库名，动态库不能有空格，静态库可以有空格） |
| -L | 指定编译的时候，搜索的库的路径 |
| -fPIC or -fpic | 生成与位置无关的代码（主要用于动态库目标文件的生成） |
| -shared | 生成共享目标文件，通常用在建立共享库时 |
| -std | 指定C语言的版本，如：-std=c99，gcc默认的版本是GNU C |
2.3 GCC下
2.3.1 gcc和g++的区别
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首先，两者都可以编译c和c++程序。
-
后缀为
.c时，gcc当作 c 程序，g++当作 c++ 程序。 -
后缀为
.cpp时，两者都会认为是 c++ 程序。 -
编译阶段，g++ 会调用 gcc，对于 c++ 源程序，gcc 命令不能自动和 c++ 程序使用的库链接，所以通常用 g++ 来完成链接，为了统一起见，可以编译/链接都用 g++。
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关于 gcc 对宏
_cplusplus的定义规则，如果后缀为.c并且采用 gcc 编译器，则 gcc 不会定义该宏，如果后缀为.cpp并且采用gcc编译器，则 gcc 会定义该宏。 -
若要使用 gcc 链接其他 c++ 的库，则需要加参数选项
-lstdc++。
2.4 静态库的制作
在谈静态库的制作之前，先谈一下什么是库文件？
库文件可以看作是一种代码仓库，它提供了可以直接使用的变量、函数或类，它也可以看成是一种不能运行的特殊程序。库文件分为两类，分别是静态库和动态库（共享库）：
- 静态库在程序的链接阶段会被复制到程序中，生成可执行文件一起被加载到内存中，静态库的后缀名是
.a。 - 动态库（共享库）在程序的链接阶段没有被复制到程序中，而是在程序的运行时，由系统动态加载到内存中供程序调用，既然是动态加载，就涉及到系统如何寻找动态库所在的磁盘位置，后续动态库的制作小节中会提到，动态库的后缀名为
.so。
2.4.1 静态库制作第一步，获取目标二进制文件
在源文件src目录下，对需要打包成静态库的源程序（.c），使用gcc -c编译生成目标二进制文件。
# 目录结构
.
├── include
│ └── head.h
├── lib
├── main.c
└── src
├── add.c
├── div.c
├── mul.c
└── sub.c
# 生成目标二进制文件， -I参数指定头文件所在目录
gcc -c add.c sub.c mul.c div.c -I ../include
2.4.2 静态库制作第二步，生成静态库文件
通过ar命令（工具）使用第一步生成的目标二进制文件，制作静态库文件，linux下静态库文件的格式为lib库名.a
# 目录结构
.
├── include
│ └── head.h
├── lib
├── main.c
└── src
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── mul.c
├── mul.o
├── sub.c
└── sub.o
# src目录下，用ar工具生成静态库文件
# r - 将文件插入备存文件中
# c - 建立备存文件
# s - 索引
ar rcs libcal.a add.o sub.o mul.o div.o
# 泛化: ar rcs lib静态库名.a 制作静态库所需的目标文件列表
2.5 静态库的使用
头文件，静态库文件和源文件的目录结构如下所示，通过gcc提供的命令，使用头文件和静态库文件编译main.c，生成二进制文件app。
# 目录结构
.
├── include
│ └── head.h
├── lib
│ └── libcal.a
├── main.c
└── src
├── add.c
├── div.c
├── mul.c
└── sub.c
# 静态库的使用
# -I 头文件所在目录 -l 静态库名 -L 静态库所在路径
gcc main.c -o app -I ./include -l cal -L ./lib
2.6 动态库的制作和使用
2.6.1 动态库的制作过程
- 第一步，使用
gcc的-c和-fpic or -fPIC参数列表，得到.o文件，生成和位置无关的代码。
# 目录结构
.
├── add.c
├── div.c
├── head.h
├── main.c
├── mul.c
└── sub.c
#得到.o文件，和位置无关的代码
gcc -c -fpic add.c sub.c mul.c div.c
- 第二步，使用
gcc的-shared和-o参数列表，生成动态库
# 目录结构
.
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── head.h
├── main.c
├── mul.c
├── mul.o
├── sub.c
└── sub.o
#生成动态库
gcc -shared add.o sub.o mul.o div.o -o libcal.so
# 泛化 gcc -shared 制作动态库所需目标文件的列表 -o lib动态库名.so
2.6.2 动态库的使用
- 用
gcc的-o、-I(可选)、-l和-L参数列表，编译使用了动态库的源程序
# 编译使用了动态库的源程序，这里需要注意的是，动态库指定库名时，-l后面不能有空格
gcc main.c -o main -I ./include/ -lcal -L ./lib/
# 泛化: gcc xxx.c -o 目标程序 -I 头文件所在目录 -l动态库名 -L 动态库所在位置
2.7 动态库加载失败的原因
在执行2.6.2中的Shell命令后，我们会生成一个main的可执行程序，使用./main来运行它，发现会报错，报错内容为./main: error while loading shared libraries: libcal.so: cannot open shared object file: No such file or directory，翻译过来大致是，当加载共享库（动态库）libcal.so时，找不到目标文件，这是怎么回事呢？我们使用ldd main命令查看可执行文件main所依赖的动态库，显示内容如下。
# ldd命令，加载可执行文件的动态库依赖关系
ldd main
# linux-vdso.so.1 (0x00007fffab0fd000)
# libcal.so => not found
# libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fcb552bb000)
# /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fcb558ae000)
我们发现，2.6制作的动态库libcal.so找不到，2.8详细解释原因并且提供解决方案。
2.8 可执行程序动态库加载失败
2.8.1 动态库加载失败的原因
在说明动态库加载失败的原因之前，先谈谈可执行程序加载时，静态库和动态库的区别：
- 静态库在
gcc进行链接时，静态库中的代码会打包到可执行程序中（一起装入到内存中），所以，在程序执行过程中，不存在从磁盘中寻找静态库文件的操作（因为静态库代码已经装入到内存中了）。 - 动态库在
gcc进行链接时，动态库中的代码不会打包到可执行程序中，只有在可执行程序运行需要用到动态库的代码时，动态库才会被加载到内存中，这就涉及到如何从磁盘定位动态库的问题（动态库加载失败的原因就是，我们没有给linux提供一个动态库的绝对路径，所以linux找不到动态库）。
那么，linux是如何从磁盘定位动态库（共享库）文件的呢？
- 当linux加载包括了动态库的可执行程序时，能够知道其所依赖动态库的名字，然后通过动态载入器（
ld-linux.so）来获取绝对路径。对于ELF（Executable and Linkable Format，一种标准的二进制文件格式）文件，linux先后搜索 DT_RPATH ==> 环境变量（LD_LIBRARY_PATH） ==>/etc/ld.so.cache文件列表 ==>/lib和/usr/lib目录找到动态库文件绝对路径后，将其载入内存。
2.8.2 解决动态库加载失败
这里提供四种方法，前三种方法都是通过修改环境变量的方式，最后一种方法是通过修改/etc/ld.so.cache文件列表的方式：
- 第一种方法是使用export命令，临时配置基于动态库的环境变量（也就是只在当前shell程序有效）
# pwd(print working directory)命令，打印当前工作目录的绝对路径
# 在linux的环境遍历中配置动态库的绝对路径
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/utopiayouth/Desktop/chapter2/lesson06/library/lib
- 第二种方法是用户级的永久配置，使用
cd命令进入到用户根目录下，修改.bashrc文件，在最后一行加入如下内容
# .bashrc是用户级别的Bash shell配置文件，因为它在用户的根目录中，每次启动新的Bash shell程序时，该文件都会被读取和执行
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/utopiayouth/Desktop/chapter2/lesson06/library/lib
# 最后，使用source命令，更新.bashrc文件(source命令可以在不重新启动Shell程序的前提下，将.bashrc修改的内容在当前Shell程序中生效)
source ./.bashrc
# 或者使用.代替source
. ./.bashrc
- 第三种方法是系统级的永久配置，进入root权限，使用
cd命令进入到etc目录下，修改profile文件，在最后一行加入如下内容
# profile文件是一个重要的 shell 脚本文件，它主要负责配置全局环境变量和执行一些系统级别的初始化任务，所有用户都是可见的，登录系统时会被 shell 解析执行。
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/utopiayouth/Desktop/chapter2/lesson06/library/lib
# 最后，使用source命令，更新profile文件(source命令可以在不重新启动Shell程序的前提下，将profile修改的内容在当前Shell程序中生效)
source ./profile
- 第四种方法，修改
/etc目录下的ld.so.conf文件列表，加入动态库的绝对路径
# 动态库的绝对路径
/home/utopiayouth/Desktop/chapter2/lesson06/library/lib
# 最后使用ldconfig刷新我们修改的配置
sudo ldconfig
2.9 静态库和动态库的对比
2.9.1 静态库的优缺点
优点：
- 静态库已经被打包到了可执行程序中，所以程序运行和加载的速度快（运行和加载的过程中 都不需要重新从磁盘中寻找库文件）
- 发布程序时无需提供静态库，移植方便（因为程序在进行链接的过程中，库文件代码已经被链接到了可执行程序中）
缺点：
- 消耗系统资源，浪费内存（举一个例子，我们在内存中装入两个包含静态库的程序，此时，内存中静态库的副本有两个，造成冗余，浪费内存）。
- 更新、部署、发布麻烦（因为程序需要和库文件一起重新发布）。
2.9.2 动态库的优缺点
优点：
- 由于动态库和主程序可以分离（程序链接阶段，没有链接到一起），异步装入内存，所以我们可以控制动态库何时加载到内存中。
- 同理，由于动态库和主程序是分离的，可以利用进程间资源共享技术（这也是共享库名字的来源），实现当我们加载多个包含动态库的程序时，内存中只有一个动态库副本，节省了内存空间。
- 更新、部署、发布简单（很好理解，由于动态库和程序分离，对于程序版本的更新，不影响旧版本的动态库）。
缺点：
- 程序加载和运行比静态库慢（很好理解，因为程序在加载和运行的时候，需要定位动态库在磁盘中的位置，然后加载到内存中）。
- 发布程序的时候需要提供依赖的动态库（很好理解，因为动态库和程序在链接的时候是分离的，所以发布的时候得有两部分）。
细心的读者会发现，在谈动态库的时候，我们使用了专有名词运行和加载，这是因为，当我们将程序从磁盘装入到内存，然后转换为进程运行的这两个阶段，我们都可以控制动态库何时装入内存，可以是程序装入内存的阶段，也可以是程序运行的阶段。
2.10 Makefile的一些基础知识
2.10.1 什么是Makefile
一个工程中的源文件不计其数，一般按类型、功能和模块分别放在若干个目录中（例如，源文件存放在src目录，头文件存放在include目录等），Makefile 文件定义了一系列的规则，来指定哪些文件需要先编译，哪些文件需要后编译，哪些文件需要重新编译，甚至于进行更加复杂的操作，Makefile 文件就像一个 Shell 脚本一样，也可以执行操作系统的命令（工程中存在大量的文件，我们不可能在Shell窗口中，一个个地进行编译、汇编和链接，所以我们就需要 Makefile 来自动的完成所有工程源代码的编译、汇编等操作，极大的提高了软件开发的效率）。
有了Makefile文件，我们只需要一个make命令，make是一个解释Makefile文件中指令的命令工具，大多数IDE都有这个命令。（比如Visual C++下的nmake，Linux下GNU的make）。
2.10.2 文件命名
makefile or Makefile
2.10.3 Makefile的一些规则
# 一个 Makefile 文件中可以有一个或者多个规则
# 目标...: 依赖
# 命令（Shell命令）
# ...
# 目标：最终要生成的文件（伪目标除外）
# 依赖：生成目标所需要的文件或是目标
# 命令：通过执行Shell命令对依赖操作生成目标（Shell命令前必须 Tab 缩进）
# Makefile 中的其他规则一般都是为第一条规则服务的
# 举例
app: sub.c add.c mul.c div.c main.c
gcc sub.c add.c mul.c div.c main.c -o app
#目标：app
#依赖：*.c文件
#命令：gcc 命令
2.11 一些linux命令的补充
ll命令，用于列出当前目录或指定目录中的文件和目录，并以长格式（long listing format）显示详细信息。ll命令比ls提供更多的细节，如权限、所有者、组、文件大小和最后修改时间等。
# 举例
ll 指定目录 or 当前目录
cp命令，复制命令，将指定的文件或者目录（需要加-r参数表示递归复制）复制到目标目录中。
# 举例
cp [-r] 指定文件或者目录 目标目录
rm命令，删除指定文件或者目录（需要加-r参数递归删除）。tree命令，以树状的形式显示当前目录或者指定目录的内容（需要sudo apt install tree）ldd命令，加载可执行文件的动态库依赖关系，可以利用该工具查看动态库是否配置。pwd(print working directory)命令，打印文件的工作目录（绝对路径）
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