【碼農】Linux（Ubuntu）環境開發 C/C++ 應用程式

九月時工作上接到一項任務，內容是評估某硬體方案的可能性。該硬體設備廠商有提供 Windows 與 Linux 兩種方案讓客戶選擇，為了趕進度，所以直接以熟悉的 Windows 方案使用 C# 進行試作，可惜評估結果不盡人意（硬體問題）。然而在此評估過程中，也讓我意識到 Linux 可能也是商用硬體設備的選項之一，所以在中秋節連假期間，除了吃飯睡覺拉屎看電視打電動逛街人擠人之外，把剩下的時間全都花在學習建置「Linux 環境開發 C/C++」這件事情上了。四天連假結束，算是有點收獲，開篇文章把這些學習心得記錄下來，免得以後很快又忘記。

這篇文章以「在 Linux 環境下開發 MQTT C/C++ Client 應用程式」為目標情境，打造 Linux 環境下相對友善的 C/C++ 開發環境，使用 Linux 版 IDE 工具進行 C/C++ 程式開發。

為何要以「開發 MQTT C/C++ Client」作為目標情境？原因是牽涉到 IDE 開發工具中引入 Library （函式庫套件）編譯的設定指令，大部分應用軟體一定是這麼做，所以拿 MQTT C/C++ Library 作為範例情境。如果只是在 Linux 環境下用 IDE  寫個 print Hello World ，就不用特意寫這篇文章來記錄了。

一、準備工作

一台運作 Ubuntu 18.04 並可連結 Internet 的電腦，虛擬機器也行。（Linux Ubuntu 18.04 下載網址）

二、基本技能

• 使用 IDE 開發程式的基本經驗
• Linux 終端機環境基本指令操作

三、設置 Linux 基本開發環境

本文以 MQTT C/C++ Client 為例，所以先把 MQTT 的可運作環境架起來，意思是在 Ubuntu 電腦上安裝 MQTT Broker 就行了。在安裝 MQTT Broker 之前，記得要用終端機跑一次套件更新：

$ sudo apt update && sudo apt upgrade -y

3.1 安裝 Mosquitto MQTT Broker

Linux（Ubuntu）安裝 MQTT Broker 超簡單！終端機一行指令搞定。

$ sudo apt install mosquitto mosquitto-clients -y

等安裝程序跑完就可以了。可以用 service mosquitto status 查看 MQTT Broker 的狀態，亮綠燈寫著 active (running) 就代表運作中。

如果不死心還想測試 MQTT 是否能正常運作，可以開兩個終端機視窗，各自輸入指令就行了。

以上圖來說，下方的視窗發出「Hello world 測試」的內容，上面的視窗有接收到。

3.2 安裝 Eclipse Paho MQTT C/C++ Client Library

嚴格來說得分成兩個部分：C Library 與 C++ Library，不過 Eclipse Paho 的 MQTT C++ Client Library 又依附在 MQTT C Client Library 上，換句話說不僅兩個都要安裝，而且要先安裝 C Library 再安裝 C++ Library。聽起有點複雜，其實官方也幫我們把安裝 C Library -> 安裝 C++ Library 的自動腳本都做好了，跟著以下指令操作即可：

$ sudo apt install git build-essential gcc make cmake cmake-gui cmake-curses-gui libssl-dev doxygen graphviz libcppunit-dev -y
$ cd ~
$ git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.cpp
$ cd paho.mqtt.cpp
$ ./install_paho_mqtt_c.sh
$ cmake -Bbuild -H. -DPAHO_BUILD_DOCUMENTATION=TRUE -DPAHO_BUILD_SAMPLES=FALSE
$ sudo cmake –build build/ –target install
$ sudo ldconfig

指令看起來有點多，不過整個做完也差不多一兩分鐘而已。跑完之後，/usr/local/lib 與 /usr/local/include 兩個目錄下會新增一些 MQTT 用到的 Library 二進位檔與 .h 標頭檔如下：

做到這裡，C/C++ MQTT Client Library 套件就已經安裝設置完成，找個範例程式試著編譯執行看看。以 ~/paho.mqtt.cpp/src/samples 底下的 topic_publish.cpp 範例程式為例：

$ cd ~/paho.mqtt.cpp/src/samples
$ g++ -g -o topic_publish topic_publish.cpp -lpaho-mqttpp3 -lpaho-mqtt3cs -lpaho-mqtt3as -lstdc++
$ ./topic_publish

若編譯和執行都沒出現錯誤訊息，表示已經可以在這個環境下用 C/C++ 撰寫與編譯 MQTT 的應用程式了。在 -o xxxx 後面的一大串參數，就是編譯時需引用的程式碼或 Library 函式庫。

確認 Library 安裝設置很重要，若沒弄好，後面 IDE 的編譯設置也會跟著出問題。所以要確認上面的動作都沒問題之後，後面導入 IDE 的動作才能繼續。

四、C/C++ 的 IDE 工具設定

接下來簡單介紹兩款支援 Linux 環境的 C/C++ IDE 開發工具：Eclipse 公司的 Eclipse for C/C++，以及微軟的 Visual Studio Code（簡稱 VSCode）。

兩款工具都需要經過若干設定才能用於開發 C/C++，Eclipse 設定相對簡單但使用上不直覺（不好用），而 VSCode 則是反過來，設定複雜但容易使用，且提示功能強大。要使用哪一種端看個人習慣與喜好。

接下來以上述的 topic_publish.cpp 為例，說明如何把現成的程式導入 IDE 進行開發撰寫與除錯。

首先必須先把 topic_publish.cpp 程式做基本的「專案化」，也就是先建立新目錄，將程式複製到新目錄之後，並在該目錄將編譯指令做成 Makefile 文字檔。操作方式：

(1) 將 topic_publish.cpp 複製到 ~/[新目錄]/topic_publish.cpp ，這裏新目錄名稱用 topic_publish。

(2) 在此目錄下手動建立 Makefile 設定檔（nano Makefile），內容如下

all:
    g++ -g -o topic_publish topic_publish.cpp -lpaho-mqttpp3 -lpaho-mqtt3cs -lpaho-mqtt3as -lstdc++
clean:
    rm topic_publish

要強調的是，指令的前面要用 Tab 鍵而非空白鍵，也就是 g++ 與 rm 的前面是 Tab 而非空白，這點非常重要！最後存檔離開。

接著在目錄下執行 make 指令，看看編譯時會不會依照 Makefile 指令進行編譯。

若沒什麼錯誤訊息，表示 topic_publish.cpp 程式的「專案化」完成。接著就能把這個「專案」導入 IDE 工具了。

4.1 Eclipse

4.1.1 下載 Eclipse

Eclipse 下載網址：https://www.eclipse.org/downloads/packages/

選擇「Eclipse IDE for C/C++ Developers」的 Linux 64-bit 版下載即可。

下載檔案是 .tar.gz 壓縮檔，直接點擊後會開啟壓縮檔管理員，把壓縮檔內的 eclipse 目錄，直接拖曳就行了（建議安裝在 [家目錄] ，後續比較方便）。

進入 eclipse 之後，直接點擊 eclipse 執行檔就可運行 Eclipse。

4.1.2 使用 Eclipse 開發 C/C++

啟動運行 Eclipse，第一次執行會問 workspace 的目錄，不做任何更動，點擊 Launch

點擊「Import a project with a working Makefile」

依下圖步驟 1. ->2. ->3. ：

選擇 ~/topic_publish 目錄，點擊 Linux GCC，按 Fihish 。

把「Welcome」頁籤關掉，終於進入 C/C++ 開發介面模式。

可以看得出開發介面的功能相當完整但有點複雜，上就是上圖標示出來的那些比較重要，細節請自行 Google。然後即使匯入專案，仍少了 Launch Configuration 設定。（上圖紅框）。

然後重點來了…在專案名稱上按右鍵 –> Build Project。這麼做的目的是先讓 Eclipse IDE 跑一遍 Makefile 的設定並自動偵測，否則後面無法使用 Launch Configuration 設定精靈。

接著點擊新增 Launch Configuration 開啟設定精靈。

按 Next ，

可設定 Launch Configuration 名稱，若不設定直接按 Finish 即可。

這樣就大致設定完成了。

4.1.3 Eclipse 的一般 IDE 功能：

支援一般 IDE 該有的功能，例如自動完成（AutoComplete），顯示定義，以及 Debug Break Point 等。

上述可以發現 Eclipse 提供了精靈工具，在執行設定步驟時多半是根據指示下一步就完成了，但精靈設定還是不夠親民，有時不小心搞錯一個動作，就會搞不懂為何沒有下一步的選項。

4.2 微軟 Visual Studio Code（VSCode）

我在先前寫過 VSCode 撰寫 python 與 PHP 的文章，設定上雖然不複雜，但還是有些很神奇的騷操作。沒想到 VSCode 撰寫 C/C++ 的設定更是奇葩，騷操作更多。

不過搞定這些騷操作之後，用起來的感覺真的很不錯，還有一大堆外掛可滿足個人特定需求。所以比起 Eclipse，我個人是推薦使用 VSCode 來開發 C/C++。

在此先強調一個觀念：用 VSCode 撰寫 C/C++ 需先在專案根目錄底下的 .vscode 子目錄內建立三個設定檔：c_cpp_properties.json，tasks.json，launch.json。不過找了一大堆網路教學，全都沒交代這三個檔案是怎麼生出來的，格式跟項目為何要長成那樣。雖然最笨的方式雖然可以手動一個字一個字敲打產生，但完全不建議這麼做。

事實上可以透過一堆騷操作生成三個設定檔，產生之後只需針對專案的特性，修改局部微調即可，偏偏網路教學很多都是抄來抄去，全都沒有介紹如何自動生成（不知是否因為下錯關鍵字，總之我找了很久沒找到），所以光是 C/C++ 的設定檔騷操作我就式了將近一天，總算搞出設定檔的生成流程。

三個設定檔的生成還有順序，順序錯了生成的內容也會跟著錯，大家都說「Visual Studio」 是地表最神的 IDE 工具，但為何多一個 Code 字，就得搞得如此折騰人生呢？微軟啊微軟，我真的是搞不懂你….

好了，牢騷發完，進入正題。

4.2.1 下載並安裝：下載網址，選 .deb 版即可。

 下載後直接點擊 .deb 檔進行安裝，依照畫面指示進行安裝即可。安裝完成之後，應用程式列表就會出現熟悉的 Visudl Studio Code 圖示。在終端機內輸入「code」也能啟動。

4.2.2 使用 Visual Studio Code 進行 C/C++ 開發

(1)開啟終端機，進入專案目錄 ~/topic_publish，在該目錄底下執行指令「code .」（注意 code 後面有個「點」號）

$ cd ~/topic_publish
$ code .

接著就會開啟 VSCode 並自動將 topic_publish 專案導入。以下是介面概述：

主動提示區的功能很好用，會自動預測你現在可能想做什麼而作出提示，例如有時會建議你可能遇到什麼問題，安裝什麼插件或做什麼操作可以解決。當然了，如果預測不是想要的，可以點擊 X 不理它。這裡就不提主動提示區的功能了。

第一件事，就是安裝需要的插件，點擊插件市集按鈕，安裝以下五個插件：

• Bracket Pair Colorizer：不同括號層級顯示不同括號顏色（已內建於 Visual Studio Code）
• C/C++ for Visual Studio Code：微軟自帶的C/C++外掛。
• C/C++ Clang Command Adapter：提供靜態檢測（Lint）
• C++ Intellisense：一組功能的名稱，這些功能可讓撰寫程式碼變得更方便。
• Include Autocomplete：提供標頭檔案名字的補全。

其他插件參考

• C/C++ Snippets：自動插入程式碼片段。
• C++ Helper：提供撰寫 C++ 程式時一些好用的快速功能。
• Doxygen Documentation Generator：產生程式碼說明註解的好東西。
• theme-chromodynamics：熟悉的佈景主題。
• Chinese (Traditional) Language Pack for Visual Studio Code：介面中文化。

4.2.3 依序產生三個設定檔

三個設定檔依序為

1. c_cpp_properties.json
2. tasks.json
3. launch.json

三個設定檔都在專案目錄的 .vscode 子目錄下。上面提到三個設定檔也必須依照順序生成，接下來就是進入連續騷操作的步驟，所有的操作都有個重點：把編輯區視窗停留在 .cpp 主檔案上，再進行相關操作。

(1) 生成第一個設定檔：c_cpp_properties.json。

依下圖 1. -> 2. -> 3. -> 4.

接著出現命令框，選擇「C/C++:Edit Configurations (UI)」（或是「C/C++:Edit Configurations (JSON) 也可以」。 

出現選項式的介面，原則上都不需要更動任何設定。

將「C/C++ Configuration」頁籤關閉。然後就可以看到在 .vscode 目錄下自動產生第一個設定檔「c_cpp_properties.json」。可以透過下圖的 1. -> 2. 查看，原則上不需任何更動。

然後必須再回到點擊 .cpp 上，否則後面的生成動作會出錯。

(2) 接著繼續生成第二個設定檔：tasks.json。

在回到 .cpp 的前提下，依下圖點擊 1. Terminal -> 2. Configure Default Task…

會開啟選擇視窗。意思是選擇不同的編譯器，基本上選擇哪一個都可以，我選擇 gcc 這一項。第二個設定檔 tasks.json 也會自動生成。

不過 tasks.json 內的 args 參數必須手動修正，原因是 topic_publish.cpp 必須引用 MQTT C++ Client 的參數才能正常編譯。參考 Makefile 內容，加入一些編譯參數如下：

第二個 tasks.json 也完成了。務必再把視窗切回到 topic_publish.cpp。

(3) 接下來，生成第三個設定檔：launch.json。

依下圖點擊 1.Run -> 2. Open Confighration

跳出選擇項目，選擇「C++ (GDB/LLDB」

又一層選擇視窗，原則上選哪一個都一樣。由於前面已經選擇了 gcc，這裏也一樣選擇 gcc 項目

第三個設定 launch.json 也會自動生成，並且 VSCode 會順便自動跑一下相關設定，也會自動切換到除錯模式。正常的話切下方換到 TERMINAL 視窗（如下圖）可以看到程式編譯完成也跑過一遍。

這樣就大致完成專案的設定了。依上述的操操作，只需要修改 tasks.json 的 args 項目，加入必要的 Library 而已，其他都不用特別更動。

4.2.4 Visual Studio Code 開發 C/C++ 的一般 IDE 功能：

支援一般 IDE 該有的功能，例如自動完成（AutoComplete），顯示定義，以及 Debug Break Point 、顯示變數值等。

五、後記

以上只是短短四天的個人學習心得，也只算是 IDE for C/C++ 設定的最.最.最….最初步入門而已，IDE for C/C++ 真正的用法應該不只有這樣，像是 CMake 這類進階的用法。哪天有研究出更好用的方式，會再回頭過來補完這篇文章。 

（2020.10.25 補充）經過一段時間的摸索，透過使用 VSCode 找到更簡單的設定方式。使用一個叫「Fenix」的延伸插件就行了。透過這個插件，可以很輕鬆的產生 C++ 專案設定。

首先先用 MSCode 開啟一個新的空白的目錄，我們將在這個目錄產生新的 C++ 專案。在 Fenix 安裝啟用之後，左邊會出現新的圖示。依下圖的順序指示點擊：1. 圖示 -> 2. Easy C++ Projects -> 3. +號 -> 4. Open Fenix

接著會出現 Fenix 的主畫面，再依序點擊 5.Language C++ -> 6. [G++/GDB] -> 7. Create

切回專案的檔案總管（下圖左邊紅框圖示），就可以看到產生一個最基本的 C++ 專案了。它已經幫你把 Makefile 和 VSCode 最重要的兩個設定：tasks.json 與 launch.json 都弄好了。

最近研究在研究 Makefile 的撰寫，說真的 Makefile 也是一門深奧的學問，網路教學也不少。這個自動產生的 Makefile 內容長這樣：

不過後來我在練習撰寫時，發現這個 Makefile 是有問題的。在預設產生 Makefile 內容的第 20 行，必須要改成這樣：

$(CXX) -I$(INCLUDE) -L$(LIB) $^ -o $@ $(LIBRARIES) $(CXX_FLAGS)

也就是要將 $(CXX_FLAGS) 移到最右邊，後續在使用時才不會有問題。

六、初步成果

經過多日的練習，我做了一個 C++ 專案放在 Github 上（BeMqttSample）：

專案的目的是使用 paho.mqtt.cpp 另外再撰寫了自訂 class 類別 BeMqttClient，讓 MQTT Client 更直覺、簡單，容易使用，最短只需三行宣告就能驅動 MQTT Client 運行。這個專案就是用這篇文章提到的內容（paho.mqtt.c/cpp Client library，Makefile，Microsoft Visual Studio Code…），一步一步慢慢兜出來的。

修改了預設的 Makefile 的內容，加入 include 目錄的 cpp 編譯（因為 BeMqttClient 的原始碼放在這裡），並可支援 macOS 與 Linux 的環境（因為 macOS 沒有 -luuid 否則編譯會出錯。-luuid 是 Linux 環境下的 uuid 套件，亦需用 apt 安裝 uuid-dev 才能使用。）

若對這個自訂 class 類別內容有興趣的話，請讀者們自行上 github.com/benjenq/BeMqttSample 參考囉！