实验2 Linux环境下C语言使用、编译与调试
一、实验目的
1．复习C语言程序基本知识
2．练习并掌握Linux提供的vi编辑器来编译C程序
3．学会利用gcc、gdb编译、调试C程序
4．掌握在Linux操作系统环境上编辑、编译、调试、运行一个C语言程序的全过程。
二、实验内容
1．掌握一种Linux的编辑器，特别是字符界面的vi工具的使用。
2．用vi编写一个简单的、显示\的C程序，用gcc编译并观察编译后的结果
3．利用gdb调试该程序 4．运行生成的可执行文件。 三、实验指导
1．C语言使用简介
LINUX中包含了很多软件开发工具。它们中的很多是用于C和C++应用程序开发的。 C是一种能在LINUX的早期就被广泛使用的通用编程语言。它最早是由Bell实验室的Dennis Ritchie为了LINUX的辅助开发而写的，从此C就成为世界上使用最广泛的计算机语言。
C能在编程领域里得到如此广泛支持的原因有：
（1）它是一种非常通用的语言，并且它的语法和函数库在不同的平台上都是统一的，对开发者非常有吸引力；
（2）用C写的程序执行速度很快；
（3）C是所有版本LINUX上的系统语言。 2．文件编辑器vi
vi是在LINUX 上被广泛使用的中英文编辑软件。vi是visual editor的缩写，是LINUX提供给用户的一个窗口化编辑环境。
进入vi，直接执行vi编辑程序即可。 例：$vi test.c
显示器出现vi的编辑窗口，同时vi会将文件复制一份至缓冲区（buffer）。vi先对缓冲区的文件进行编辑，保留在磁盘中的文件则不变。编辑完成后，使用者可决定是否要取代原来旧有的文件。
(1) vi工作模式
vi提供两种工作模式：输入模式（insert mode）和命令模式（command mode）。使用者进入vi后，即处在命令模式下，此刻键入的任何字符皆被视为命令，可进行删除、修改、存盘等操作。要输入信息，应转换到输入模式。
①命令模式
在输入模式下，按ESC可切换到命令模式。命令模式下，可选用下列指令离开vi：
：q! 离开vi，并放弃刚在缓冲区内编辑的内容 ：wq 将缓冲区内的资料写入磁盘中，并离开vi ：ZZ 同wq ：x 同wq ：w 将缓冲区内的资料写入磁盘中，但并不离开vi ：q 离开vi，若文件被修改过，则要被要求
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确认是否放弃修改的内容，此指令可与：w配合使用
②命令模式下光标的移动
H 左移一个字符 J 下移一个字符 K 上移一个字符 L 右移一个字符 0 移至该行的首 $ 移至该行的末 ^ 移至该行的第一个字符处 H 移至窗口的第一列 M 移至窗口中间那一列 L 移至窗口的最后一列 G 移至该文件的最后一列 W, W 下一个单词 (W 忽略标点) B, B 上一个单词 (B 忽略标点) + 移至下一列的第一个字符处 - 移至上一列的第一个字符处 ( 移至该句首 ) 移至该句末 { 移至该段首 } 移至该段末 NG 移至该文件的第n列 N+ 移至光标所在位置之后第n列 n- 移至光标所在位置之前第n列
③ 输入模式
输入以下命令即可进入vi输入模式：
a(append) 在光标之后加入资料 A 在该行之末加入资料 I(insert) 在光标之前加入资料 I 在该行之首加入资料 o(open) 新增一行于该行之下，供输入资料用 O 新增一行于该行之上，供输入资料用 Dd 删除当前光标所在行 X 删除当前光标字符 X 删除当前光标之前字符 U 撤消 · 重做 F 查找 s 替换,例如:将文件中的所有\换成\用
\
ESC 离开输入模式
更多用法见 info vi 3．GNU C编译器
LINUX上可用的C编译器是GNU C编译器，它建立在自由软件基金会编程许可证的基础上，因此可以自由发布。
LINUX 上的GNU C编译器（GCC）是一个全功能的ANCI C兼容编译器，而一般LINUX用的编译器是CC。下面介绍GCC和一些GCC编译器最常用的选项。
(1) 使用GCC
通常后跟一些选项和文件名来使用GCC编译器。GCC命令的基本用法如下： gcc [options] [filenames]
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命令行选项指定的编译过程中的具体操作 (2) GCC常用选项
GCC有超过100个的编译选项可用，这些选项中的许多可能永远都不会用到，但一些主要的选项将会频繁使用。很多的GCC选项包括一个以上的字符，因此必须为每个选项指定各自的连字符，并且就像大多数LINUX 命令一样不能在一个单独的连字符后跟一组选项。例如，下面的命令是不同的：
gcc -p-g test.c gcc -pg test.c
第一条命令告诉GCC编译test.c时为prof命令建立剖析（profile）信息并且把调试信息加入到可执行文件里。第二条命令告诉GCC只为gprof命令建立剖析信息。
当不用任何选项编译一个程序时，GCC将建立（假定编译成功）一个名为a.out的可执行文件。例如，
gcc test.c
编译成功后，当前目录下就产生了一个a.out文件。
也可用-o选项来为即将产生的可执行文件指定一个文件名来代替a.out。例如：
gcc –o count count.c
此时得到的可执行文件就不再是a.out，而是count。 GCC也可以指定编译器处理步骤多少。-c选项告诉GCC仅把源代码编译为目标代码而跳过汇编和连接步骤。这个选项使用得非常频繁因为它编译多个C程序时速度更快且更易于管理。默认时GCC建立的目标代码文件有一个.o的扩展名。
(3) 执行文件
格式： ./可执行文件名 例：./a.out ./count
4. gdb调试工具
LINUX包含了一个叫gdb的GNU调试程序。gdb是一个用来调试C和C++程序的强有力调试器。它使你能在程序运行时观察程序的内部结构和内存的使用情况。它具有以下功能：
·监视程序中变量的值； ·设置断点以使程序在指定的代码行上停止执行； ·一行行的执行代码。
以下是利用gdb进行调试的步骤： (1) 调试编译代码
为了使gdb正常工作，必须使你的程序在编译时包含调试信息。调试信息里包含你程序里的每个变量的类型和在可执行文件里的地址映射以及源代码的行号。gdb利用这些信息使源代码和机器码相关联。
在编译时用 –g 选项打开调试选项。 (2) gdb基本命令 命 令 描 述 file 装入欲调试的可执行文件 kill 终止正在调试的程序 list 列出产生执行文件的源代码部分 next 执行一行源代码但不进入函数内部 step 执行一行源代码并进入函数内部 run 执行当前被调试的程序 quit 终止gdb watch 监视一个变量的值而不管它何时被改变 break 在代码里设置断点，使程序执行到这里时被挂起 make 不退出gdb就可以重新产生可执行文件 shell 不离开gdb就执行UNIX shell 命令
(3) 应用举例
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设有一源程序greet.c
——编译，gcc -ggdb –o greet greet.c，出错
——gdb greet，出现提示符(gdb)，此时可在提示符下输入gdb的命令了，如： ——(gdb)run ——(gdb)list
——退出调试状态，返回系统提示符下， (gdb)quit 5．参考程序 main( ) {
printf(\
}
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实验3 观察Linux进程的异步并发执行
一、实验目的
1．掌握进程的概念，明确进程的含义 2．认识并了解并发执行的实质 二、实验内容
1．编写一段程序，使用系统调用fork( )创建两个子进程。当此程序运行时，在系统中有一个父进程和两个子进程活动。让每一个进程在屏幕上显示一个字符：父进程显示'a'，子进程分别显示字符'b'和字符'c'。试观察记录屏幕上的显示结果，并分析原因。
2．修改上述程序，每一个进程循环显示一句话。子进程显示'daughter …'及'son ……'，父进程显示 'parent ……'，观察结果，分析原因。
三、实验指导
1．进程
LINUX中，进程既是一个独立拥有资源的基本单位，又是一个独立调度的基本单位。一个进程实体由若干个区（段）组成，包括程序区、数据区、栈区、共享存储区等。每个区又分为若干页，每个进程配置有唯一的进程控制块PCB，用于控制和管理进程。
PCB的数据结构如下：
(1) 进程表项（Process Table Entry）。包括一些最常用的核心数据：
进程标识符PID、用户标识符UID、进程状态、事件描述符、进程和U区在内存或外存的地址、软中断信号、计时域、进程的大小、偏置值nice、指向就绪队列中下一个PCB的指针P_Link、指向U区进程正文、数据及栈在内存区域的指针。
(2) U区（U Area）。用于存放进程表项的一些扩充信息。 每一个进程都有一个私用的U区，其中含有：进程表项指针、真正用户标识符u-ruid(read user ID)、有效用户标识符u-euid(effective user ID)、用户文件描述符表、计时器、内部I/O参数、限制字段、差错字段、返回值、信号处理数组。
由于LINUX系统采用段页式存储管理，为了把段的起始虚地址变换为段在系统中的物理地址，便于实现区的共享，所以还有：
(3) 系统区表项。以存放各个段在物理存储器中的位置等信息。 系统把一个进程的虚地址空间划分为若干个连续的逻辑区，有正文区、数据区、栈区等。这些区是可被共享和保护的独立实体，多个进程可共享一个区。为了对区进行管理，核心中设置一个系统区表，各表项中记录了以下有关描述活动区的信息：
区的类型和大小、区的状态、区在物理存储器中的位置、引用计数、指向文件索引结点的指针。
(4) 进程区表
系统为每个进程配置了一张进程区表。表中，每一项记录一个区的起始虚地址及指向系统区表中对应的区表项。核心通过查找进程区表和系统区表，便可将区的逻辑地址变换为物理地址。
2. 进程映像
LINUX系统中，进程是进程映像的执行过程，也就是正在执行的进程实体。它由三部分组成：
(1) 用户级上、下文。主要成分是用户程序；
(2) 寄存器上、下文。由CPU中的一些寄存器的内容组成，如PC，PSW，SP及通用寄存器等；
(3) 系统级上、下文。包括OS为管理进程所用的信息，有静态和动态之分。
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