Linux 开发工具(3)

本章我们将学习Linux中的调试工具——gdb。

一.gdb初识

1.gdb基本概念

gdb是一种调试工具，调试这个概念我们在使用vs2022时已经有所耳闻，而gdb是Linux端一款功能强大的调试工具。

问题1：调试是什么？

1.找出问题。gdb并不负责为我们解决问题，但是要解决问题的前提是得发现问提，而我们可以通过打断点的方式把程序分成多块，依次排查问题。

2.发现某个区域有问题，查看上下文。

我们将围绕这两个话题对gdb进行讲解。

2.快速认识gdb

在进行调试之前，我们需要了解一个前置知识：在Linux中，被gcc/g++编译后的文件是release版本的。这里我们用一个求和函数为例。

wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ vim mycode.c
wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ gcc mycode.c -o mycode
wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ readelf -S mycode |grep -i debug
wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ 

可以看到当前的可执行文件mycode并不包含debug信息，而程序要调试，就必须以debug模式编译，也就是说——必须包含debug信息才行。所以我们接下来用该指令来生成debug版本的可执行程序。

 gcc mycode.c -o mycode -std=c99 -g

编译之后再查看是否包含debug信息：已经出现。

wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ readelf -S mycode |grep -i debug[28] .debug_aranges    PROGBITS         0000000000000000  00003036[29] .debug_info       PROGBITS         0000000000000000  00003066[30] .debug_abbrev     PROGBITS         0000000000000000  000031a1[31] .debug_line       PROGBITS         0000000000000000  00003275[32] .debug_str        PROGBITS         0000000000000000  00003301[33] .debug_line_str   PROGBITS         0000000000000000  000033f7

接着我们一边进行调试一边讲解gdb。

3.更好的gdb

为了更好的体验，我们这里使用cgdb，其各种指令和用法与gdb没有区别，但是它可以将可执行程序和调试信息分开，便于调试。首先我们用以下指令调试可执行程序。

cgdb mycode

进入之后的界面如下。如果想退出，可以输入

quit

4.gdb使用

gdb基础指令如下，我们根据实际例子讲解重点。

命令	作⽤	样例
list/l	显⽰源代码，从上次位置开始，每次列出10⾏	list/l 10
list/l 函数名	列出指定函数的源代码	list/l main
list/l ⽂件名:⾏号	列出指定⽂件的源代码	list/l mycmd.c:1

r/run	从程序开始连续执⾏	run
n/next	单步执⾏，不进⼊函数内部， 逐过程 F10	next
s/step	单步执⾏，进⼊函数内部, 逐语句 F11	step
break/b [⽂件名:]⾏号	在指定⾏号设置断点	break 10break test.c:10
break/b 函数名	在函数开头设置断点	break main
info break/b	查看当前所有断点的信息	info break
finish	执⾏到当前函数返回，然后停⽌	finish
print/p 表达式	打印表达式的值	print start+end
p 变量	打印指定变量的值	p x
set var 变量=值	修改变量的值	set var i=10
continue/c	从当前位置开始连续执⾏程序	continue
删除所有断点	delete breakpoints
删除序号为n的断点	delete breakpoints 1
disable breakpoints	禁⽤所有断点	disable breakpoints
enable breakpoints	启⽤所有断点	enable breakpoints
info/i breakpoints	查看当前设置的断点列表	info breakpoints
display 变量名	跟踪显⽰指定变量的值（每次停⽌时）	display x
undisplay 编号	取消对指定编号的变量的跟踪显⽰	undisplay 1
until X⾏号	执⾏到指定⾏号	until 20
backtrace/bt	查看当前执⾏栈的各级函数调⽤及参数	backtrace
info/i locals	查看当前栈帧的局部变量值	info locals
quit	退出GDB调试器	quit

我们可以顺手把mycode.c的Makefile写好。

mycode:mycode.c2     gcc -o $@ $^ -std=c99 -g3 .PHONY:clean4 clean:5     rm -f mycode        

mycode.c的内容如下。

wujiahao@VM-12-14-ubuntu:~/gdb$ cat mycode.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;
}

1.打断点

b +filename +n：在filename函数的第n行打断点，这里是在20行处打断点

b +filename +funcname：在filename函数的funcname函数处打断点

我们可以使用指令查看当前存在的断点信息。

info b

Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) b 20   
Please answer y or [n].
Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) y
Breakpoint 1 (mycode 20) pending.
Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) b main   
Please answer y or [n].
Make breakpoint pending on future shared library load? (y or [n]) y
Breakpoint 2 (mycode.c main) pending.
(gdb) info b
Num     Type           Disp Enb Address    What
1       breakpoint     keep y   <PENDING>  mycode 20
2       breakpoint     keep y   <PENDING>  mycode.c main

2.删除断点

d +Num

这里需要注意，其实对断点的操作，除了创建断点之外使用行号，其余大部分都是使用“断点编号”。

(gdb) d 1
(gdb) d 2
(gdb) info b
No breakpoints or watchpoints.

3.开始调试

next/n：逐过程，跳过函数内部——我们可以理解为黑盒测试

step/s：逐语句，进入函数内部——我们可以理解为白盒测试

只要断点打好，只要输入r就会再次回到这个断点处。

(gdb) r
The program being debugged has been started already.
Start it from the beginning? (y or n) y
Starting program: /home/wujiahao/gdb/mycode
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
I will beginBreakpoint 4, main () at mycode.c:19
19          int n = Sum(start, end);

bt查看调用栈

[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
I will beginBreakpoint 4, main () at mycode.c:19
19          int n = Sum(start, end);
(gdb) bt
#0  main () at mycode.c:19

现在的程序都是以main函数为入口调用其他函数的。

finish执行到当前函数的返回并停止。

这里我们可以观察一个现象：对于Sum函数，局部变量result如何把值返回给外部的其他变量？

通过寄存器返回的。寄存器在cpu中，寄存器不可被引用不可被修改，这也就是为什么它是有常性的。

我们可以反汇编拿到这个可执行程序的汇编代码。

objdump -S mycode>mycode.s

可以明显看到有一个存放到寄存器的操作。也就是说，在main中的这个语句做了两件事：

调用Sum函数+将寄存器的返回值存到变量n中。

int n=Sum(start,end)

我们可以观察临时变量的值，使用以下指令。

p name

(gdb) n
I will begin
19          int n = Sum(start, end);
(gdb) p n
$3 = 21845
(gdb) nBreakpoint 1, main () at mycode.c:20
20          printf("running done, result is: [%d-%d]=%d\n", start, end, n);
(gdb) p n
$4 = 5050

可以看到，变量n在接收Sum的返回值之前一直是存储着随机值的状态。当执行到20行，n拿到寄存器中的值，变为我们期望的结果：5050.

4.补充知识

断点可以被使能。我们可以把已存在的断点像开关一样打开或关闭。

disable+Num

例如这里我们对第16行代码的断点关闭，可以看到断点信息中Num2的断点Enb选项变为了n

(gdb) info b 
Num     Type           Disp Enb Address            What
1       breakpoint     keep y   0x00005555555551d8 in main at mycode.c:20breakpoint already hit 1 time
2       breakpoint     keep y   0x00005555555551a9 in main at mycode.c:16breakpoint already hit 1 time
(gdb) disable 2
(gdb) info b
Num     Type           Disp Enb Address            What
1       breakpoint     keep y   0x00005555555551d8 in main at mycode.c:20breakpoint already hit 1 time
2       breakpoint     keep n   0x00005555555551a9 in main at mycode.c:16breakpoint already hit 1 time

而在被调试的代码中可以看的更清楚：开着的断点为红色，关着的断点为黄色。

5.如何调试，如何理解调试

找出问题。打断点会把我们的代码分块，如果在运行过程中没有问题，说明问题不在当前块中。所以可以直接运行到下个断点处(continue)进行进一步排查。

finish—->确认问题是否在函数内

until line ——>将当前代码逻辑跑完，直接跳转到line行，局部快速执行

2.发现某个区域有问题，查看上下文

这里我们假设要根据start和end设置这个flag值的正负，但是不慎设置为0，我们要通过调试发现问题在哪。首先跟这个代码逻辑相关肯定在调用这个函数的地方，可以现在第20行打断点。

(gdb) b 14
Breakpoint 1 at 0x1198: file mycode.c, line 14.
(gdb) b 20
Breakpoint 2 at 0x11b7: file mycode.c, line 20.

然后我们可以使用display进行变量监控。

display name

(gdb) b 22
Breakpoint 1 at 0x11cd: file mycode.c, line 22.
(gdb) r
Starting program: /home/wujiahao/gdb/mycode
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
I will beginBreakpoint 1, main () at mycode.c:22
22          int n = Sum(start, end);
(gdb) s
Sum (s=1, e=100) at mycode.c:8
8           int result = 0;(gdb) n
9           for(int i = s; i <= e; i++)
1: i = 1
2: result = 1

不想用这个监控的话可以根据编号

undisplay Num

我们接着说。

在循环里执行代码都没有发现问题，我们直接until+line跳转到当前函数的line处。

(gdb) until 14
Sum (s=1, e=100) at mycode.c:14
14             return result*flag;
2: result = 5050

此时临时变量i已经销毁，但我们发现：result事实上显示的是正确的绝对值。

我们继续运行。

$2 = 21845
(gdb) n
23          printf("running done, result is: [%d-%d]=%d\n", start, end, n);
(gdb) n   
running done, result is: [1-100]=0
24          return 0;

奇怪的是，一退出Sum函数，结果就立马变成0了，我们合理怀疑嫌疑人是flag。

(gdb) p flag
$3 = 0

果然，就是因为flag导致我们的输出结果为0。

tips：可以通过info locals查看一个函数内所有的临时变量。

二.调试技巧

1.watch：执行时监视一个表达式或变量的值。

可以看到watch的本质是创建了一个watchpoint。

(gdb) watch result
Hardware watchpoint 2: result(gdb) info b
Num     Type           Disp Enb Address            What
1       breakpoint     keep y   0x00005555555551cd in main at mycode.c:22breakpoint already hit 1 time
2       hw watchpoint  keep y                      result

tips：如果你有一些变量不想被修改，但是你怀疑是因为它修改引起了问题，你就可以watch它，如果发生变化gdb会通知你。

2.set var：在调试过程中遇到的需要修改的变量。例如我们这里把可能有错的flag修改为1，修改之后结果正确。

(gdb) set var flag=1
(gdb) p flag
$6 = 1
(gdb) n
23          printf("running done, result is: [%d-%d]=%d\n", start, end, n);
(gdb) n
running done, result is: [1-100]=5050
24          return 0;

3.条件断点

如下面的第11行断点，只有i的值为10时才会在此中断。等i增加到大于10时，断点不会再被触发，会直接结束函数执行。

(gdb) b 11 if i==10
Breakpoint 3 at 0x555555555186: file mycode.c, line 11.

(gdb) n
9           for(int i = s; i <= e; i++)
1: i = 10
2: result = 55
(gdb) n
11             result += i;

除此之外，我们也可以给已有的普通断点添加条件。

condition Num ....

tips：cgdb分屏操作：按ESC进入代码屏，i回到gdb屏。