【Linux 系统篇(十二)】基础开发工具(七) —— 调试器 gdb/cgdb使用

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Linux 系统篇(十二) —— 调试器 gdb/cgdb使用

文章目录

• Linux 系统篇(十二) —— 调试器 gdb/cgdb使用
• • 一、准备工作
  • • 1.1 一个简单的示例代码
    • 1.2 Debug 与 Release 模式
  • 二、GDB 基础命令
  • • 2.1 启动与退出
    • 2.2 查看源代码：list（l）
    • 2.3 设置断点：break（b）与断点管理
    • • 设置断点
      • 查看断点：info breakpoints（info b）
      • 删除与禁用断点
    • 2.4 运行与单步执行
    • • 运行程序：run（r）
      • 逐过程执行：next（n）
      • 逐语句执行：step（s）
      • 跳出函数：finish
      • 跳到指定行：until
      • 继续执行：continue（c）
    • 2.5 查看与监控数据
    • • 打印变量：print（p）
      • 自动显示：display
      • 查看所有局部变量：info locals
      • 查看调用栈：backtrace（bt）
    • 2.6 动态修改变量：set var
  • 三、常见调试技巧与进阶工具
  • • 3.1 CGDB
    • • 安装
      • 基本操作与快捷键
    • 3.2 监控变量变化：watch
    • 3.3 用 set var 验证问题根源
    • 3.4 条件断点
    • • 3.4.1 新建条件断点
      • 3.4.2 给已有断点附加条件
  • 四、常用命令速查表
  • 结语：

一、准备工作

1.1 一个简单的示例代码

  我们先准备一段 C 代码，之后所有的调试演示都会围绕它展开：

// mycmd.c
#include <stdio.h>

int Sum(int s, int e)
{
int result = 0;
for(int i = s; i <= e; i++)
{
result += i;
}
return result;
}

int main()
{
int start = 1;
int end = 100;
printf("I will begin\\n");
int n = Sum(start, end);
printf("running done, result is: [%d-%d]=%d\\n", start, end, n);
return 0;
}

  这是一个求和程序，Sum 函数计算从 s 到 e 的所有整数和，main 函数调用它并打印结果。

1.2 Debug 与 Release 模式

  程序从源代码到可执行文件，通常有两种发布方式：debug 模式和 release 模式。

• Release 模式：面向最终用户，编译器会开启各种优化，同时剥离调试信息，让程序体积更小、运行更快。但缺点是无法再用调试器逐行跟踪源码。
• Debug 模式：面向开发人员，包含完整的符号表、源码映射等信息，虽然程序体积稍大，但能够支持断点、变量查看等功能。

  在 Linux 下使用 gcc 或 g++ 编译时，默认生成的就是 release 模式。也就是说，如果你直接这样编译：

gcc mycmd.c -o mycmd

  得到的 mycmd 是不带调试信息的，GDB 无法把它和源代码对应起来。要想进行调试，必须在编译时加上 -g 选项：

gcc mycmd.c -o mycmd -g

  这就相当于告诉编译器：“请生成 debug 版本的程序”。我们怎么知道一个二进制文件是否包含调试信息呢？可以使用 file 命令来检查。

  不加 -g 编译时：

  加上 -g 编译后：

  差别就在最后那句：with debug_info, not stripped，意思是这个文件带有调试信息，且符号表没有被移除（stripped）。

二、GDB 基础命令

2.1 启动与退出

  要开始调试，只需在终端里输入：

gdb mycmd

  随即进入 GDB 的交互界面，提示符变成 (gdb)。要退出调试，可以输入 quit（或简写 q），也可以按 Ctrl + D。

2.2 查看源代码：list（l）

  进了 GDB 之后，第一件事往往是查看源码，确认自己要调试的函数在哪儿。list 命令（简写 l）就是用来显示源代码的。它有几种常用形式：

• list：从上次显示的位置继续，每次显示 10 行。
• list 10：显示第 10 行附近的 10 行代码。
• list main：显示 main 函数的完整代码。
• list mycmd.c:1：显示文件 mycmd.c 从第 1 行开始的代码。

2.3 设置断点：break（b）与断点管理

  断点是调试的核心。没有断点，程序就会一口气跑完，那调试就无从谈起。

设置断点

• break 10（简写 b 10）：在当前文件的第 10 行设置断点。
• break main：在 main 函数入口设置断点。
• break mycmd.c:20：明确指定在 mycmd.c 的第 20 行打断点。

  我们以在第 20 行（int n = Sum(start, end);）设断点为例：

  GDB 反馈了一个断点编号 1，并给出了内存地址和位置。

查看断点：info breakpoints（info b）

  随时可以用 info b（或 info breakpoints）查看当前设置的所有断点：

• Num：断点编号，GDB 不退出时断点编号会一直递增，即使删除了也不会复用。
• Type：断点类型，常见为 breakpoint，还有 hw watchpoint 等。
• Enb：是否启用，y 表示启用，n 表示禁用。
• Address：断点在内存中的地址。
• What：断点的具体位置。

删除与禁用断点

• delete 1 (d 1)或 delete breakpoints 1：删除编号为 1 的断点。
• delete breakpoints：不带编号则删除所有断点（谨慎使用）。
• disable 1：禁用 1 号断点，状态变为 n。断点还在，只是暂时失效。
• enable 1：重新启用 1 号断点，状态恢复为 y。

  当我们暂时不想让某个断点生效，但又不想删掉它时，先用 disable，等需要了再 enable。

2.4 运行与单步执行

运行程序：run（r）

  设置好断点后，输入 run（或 r）即可启动程序。程序会一直执行，直到遇到第一个断点，或者程序正常结束 / 异常崩溃。如果在运行过程中想重新开始，可以再次执行 run，GDB 会询问你是否从头启动。

逐过程执行：next（n）

  next（简写 n）用于单步执行，但不进入函数内部。如果当前行是一个函数调用（如 int n = Sum(start, end);），GDB 会把这个函数当作一个整体直接执行完，然后停在下一行。

   一个小技巧：GDB 会记住你最近输入的命令。如果你输入了一次 n，之后只需要连续按回车键，它就会自动重复执行 n，省去反复敲字母的麻烦。

逐语句执行：step（s）

  如果你怀疑问题出在 Sum 函数内部，就不能再用 n 跳过去了，而应该用 step（简写 s）进入函数内部。执行 step 时，如果当前行包含函数调用，GDB 会“钻”进那个函数，并停在函数的第一条语句上。

  这里你会看到 GDB 进入了 Sum 函数，并显示当前执行到了第 6 行。

跳出函数：finish

  当你已经进入某个函数，但不想再逐行执行到它返回，可以用 finish。这个命令会让程序一直执行到当前函数返回，然后自动停下来，并告诉你返回值是多少。

跳到指定行：until

  如果你身处循环体内部，想要快速跳出循环，但又不想在循环末尾再设一个断点，until 行号 就是你的好帮手。它让程序继续执行，直到到达指定行才停下。

继续执行：continue（c）

  让程序从当前停止的位置继续运行，直到遇到下一个断点或程序结束。如果你已经确认之前的部分没问题，希望程序直接跑到后面的断点，就用 continue。

2.5 查看与监控数据

  断点停下来之后，最重要的就是检查当前状态：变量的值、表达式的计算结果等。

打印变量：print（p）

  print 变量名 或 print 表达式 可以输出任意合法表达式的值。比如：

(gdb) p result
$1 = 0
(gdb) p start + end
$2 = 101

  GDB 会把结果保存在历史变量 $1、$2 中，后续你也可以直接引用这些历史值。

自动显示：display

  如果你想让某个变量在每次停下来时都自动显示，而不必反复敲 p，可以使用 display 变量名。设置好后，每次程序中断，GDB 都会打印该变量的当前值。当不再需要跟踪时，用 undisplay 编号 取消。例如：

  编号 1 是 display 列表的序号，用于之后 undisplay 1 移除。

查看所有局部变量：info locals

  当函数体较长、局部变量很多时，info locals 可以一次性列出当前栈帧内的所有局部变量及其值，省去一个个打印的麻烦。

查看调用栈：backtrace（bt）

  程序为什么会执行到这里？是被谁调用的？backtrace（简写 bt）可以打印当前调用栈，从最底层的 main 一直到当前函数。

  这表示当前在 Sum 函数，它是由 main 函数在第 20 行调用的。

2.6 动态修改变量：set var

  有时候我们可能怀疑某个变量取值不对导致了 bug，想临时改成另一个值验证一下。set var 变量名=新值 就可以在运行时强制修改变量。

  这一技巧在下一节会有完整的案例演示。

三、常见调试技巧与进阶工具

3.1 CGDB

  很多人排斥 GDB 的原因是它只有一个黑乎乎的终端，不能同时看到源码和命令。CGDB（Curses GDB）恰好解决了这个问题。它本质上还是 GDB，但增加了一个上方的代码窗口，会随着调试过程高亮当前执行行，下方仍然是熟悉的 GDB 命令输入区。看起来就像一个简单的 IDE 调试器。

安装

• Ubuntu：sudo apt install -y cgdb
• CentOS：sudo yum install -y cgdb

基本操作与快捷键

  启动方式和 GDB 完全相同：cgdb mycmd。

  进入 CGDB 后，屏幕分为两部分：

• 上半部分：代码窗口，显示源码，当前行会被高亮。
• 下半部分：GDB 命令窗口，和纯 GDB 的界面完全一样，所有 GDB 命令照常输入。

  CGDB 最大的便利在于代码窗口是可操作的。你可以按 ESC 键进入代码窗口，然后用方向键或 j/k滚动查看源码。需要输入命令时，按 i 键就能回到 GDB 命令窗口。

3.2 监控变量变化：watch

  watch 是 GDB 提供的一种数据断点。普通断点在特定代码行停下，而 watch 则是监控某个变量（或表达式），只要它的值发生变化，程序立刻暂停，并告诉你旧值和新值分别是什么。

  先将程序跑到准备监控的位置。以 Sum 函数中的 result 变量为例：

  这里我们在第 6 行声明 result 之后立即设置了 watch result。GDB 创建了一个“硬件观察点”。

  接着继续执行：

  程序刚启动时 result 还是一个未初始化的随机值，当执行 int result = 0; 后，值变成了 0，变化被 GDB 截获并暂停。每次循环累加时，result 都会改变，因此也会反复触发观察点：

  可以看到 result 从 0 变成了 1。继续执行，它会被依次累加到 3、6……

  如果想停止监视，用 delete 2 删除该观察点即可。

  适用场景：当你有一个全局变量或关键局部变量，理论上不应该被修改，但运行时却发现它变了；或者你完全不知道是哪里改坏了它，就可以用 watch 捕获每一次修改。

3.3 用 set var 验证问题根源

  有时候我们通过调试已经怀疑某个变量是罪魁祸首，但还需要最终确认。set var 允许我们在不修改源码、不重新编译的情况下，直接改变变量的值，看看程序行为是否符合预期。

  我们用一个带 flag 标志位的新例子来演示。

// mycmd.c（修改版）
#include <stdio.h>

int flag = 0; // 这里的值不小心写错了，本意是 1 或 -1
// int flag = -1;
// int flag = 1;

int Sum(int s, int e)
{
int result = 0;
for(int i = s; i <= e; i++)
{
result += i;
}
return result * flag;
}

int main()
{
int start = 1;
int end = 100;
printf("I will begin\\n");
int n = Sum(start, end);
printf("running done, result is: [%d-%d]=%d\\n", start, end, n);
return 0;
}

  运行这个程序，结果竟是 0，而不是预期的 5050。为什么？我们开始调试。

  显然 n 是 0。我们重新运行并进入 Sum 函数一探究竟。

  经过几步，我们到达 return result * flag; 之前的那一行。使用 until 14 或直接多打几个 n，停在关键位置：

  真相大白：result 本身计算正确，但 flag 是 0，导致乘积为 0。为了确认只要 flag 改成 1 就能恢复正常，我们使用 set var：

  问题确认！随后我们可以回到源代码把 flag 改为正确的初始值。

3.4 条件断点

  循环 100 次，我只想在第 30 次循环时停下来看结果，如果手动按 29 次 continue 会疯掉。条件断点就是为这种场景设计的。

3.4.1 新建条件断点

  语法：b 行号 if 条件。注意这里要用 if 关键字。我们在循环体内的第 9 行设置条件断点，当 i==30 时停下：

  然后 continue，程序会一口气跑到 i 等于 30 的那次循环才停下：

3.4.2 给已有断点附加条件

  如果我们一开始没有加条件，后面才想到需要条件，可以使用 condition 断点编号 条件 来给已存在的断点追加条件，注意这里没有 if。例如：

  先在第 9 行打一个普通断点：

  然后让它只在 i==30 时触发：

  效果和第一种方式完全一样，但语法不同。记住：新建时用 if，追加条件时不用 if，直接写 condition <编号> <表达式>。

四、常用命令速查表

结语：

  今天的内容到这里就结束了，希望你能有所收获~

干货整理到手抖，觉得有用的话，赏个三连回回血？__(:ᗤ」ㄥ)_ _