1、引言

1.1、GDB简介

  GDB是GNU项目的一个调试器，它允许开发者在程序执行时或崩溃时查看程序内部发生的情况。

  GDB的主要功能包括启动程序、在特定条件下停止程序、检查程序停止时的状态以及在程序中更改内容以实验修复错误。

  更多信息可访问GDB的官网：GDB: The GNU Project Debugger

1.2、GDB支持的语言

  GDB支持多种编程语言，包括Ada、Assembly、C、C++、D、Fortran、Go、Objective-C、OpenCL、Modula-2、Pascal和Rust。

2、调试环境介绍

  本文所涉及到的编程环境为：

1. wsl 2 + Ubuntu 22.04 LTS
2. gcc version 11.4.0

3、安装GDB

  安装GDB前，先更新一些软件列表，其命令为：

sudo apt-get update

  更新结果：

  在更新完毕后，使用下面这条命令对GDB进行安装：

sudo apt-get install gdb -y

  更新结果：

  可以看出，安装GDB是一个十分简单的过程。安装完毕后，就可以使用GDB进行调试了。

4、测试代码

  在开始进行调试之前，需要有测试代码，本博文所用的测试代码如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>// 定义一个结构体
typedef struct
{int id;char name[20];float score;
} Student;/*** @brief 打印学生信息** @param s 指向Student结构的常量指针，代表要打印的学生信息*/
void print_student(const Student *s)
{// 打印学生的学号、姓名和分数printf("学号：%d 姓名：%s 分数：%.1f\n", s->id, s->name, s->score);
}/*** @brief 比较两个学生的分数** @param a 指向第一个学生的指针* @param b 指向第二个学生的指针* @return int 比较结果，如果student_a的分数大于student_b则返回-1，*              如果小于则返回1，相等则返回0*/
int compare(const void *a, const void *b)
{// 将void指针转换为Student指针const Student *student_a = (const Student *)a;const Student *student_b = (const Student *)b;// 比较两个学生的分数if (student_a->score > student_b->score){return -1; // student_a的分数更高}else if (student_a->score < student_b->score){return 1; // student_b的分数更高}else{return 0; // 分数相同}
}/*** @brief 对学生数组进行排序** @param students 学生数组* @param len 数组中学生的数量*/
void sort_students(Student students[], int len)
{// 使用qsort函数对数组进行排序，比较函数为compareqsort(students, len, sizeof(Student), compare);
}int main(int argc, char const *argv[])
{// 基本变量int a = 10;char ch = 'A';float f = 3.14f;// 数组int arr[5] = {5, 2, 8, 1, 9};char str[] = "Hello, GDB!";// 指针int *p = &a;char *p_str = str;// 结构体Student students[3] = {{1, "张三", 85.5f},{2, "李四", 92.0f},{3, "王五", 78.0f}};// 动态内存分配int *dyn_arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));for (int i = 0; i < 5; ++i){dyn_arr[i] = i * i;}// 函数调用printf("基本变量：\n");printf("  整型：%d\n", a);printf("  字符型：%c\n", ch);printf("  浮点型：%.2f\n\n", f);printf("数组：");for (int i = 0; i < 5; ++i){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n\n");printf("字符串：%s\n\n", str);printf("指针：\n");printf("整型指针指向的值：%d\n", *p);printf("字符型指针指向的字符串：%s\n\n", p_str);printf("结构体：\n");for (int i = 0; i < 3; ++i){print_student(&students[i]);}printf("\n");printf("动态内存分配的数组：\n");for (int i = 0; i < 5; ++i){printf("%d ", dyn_arr[i]);}printf("\n\n");// 排序结构体数组sort_students(students, 3);printf("排序后的结构体数组：\n");for (int i = 0; i < 3; ++i){print_student(&students[i]);}// 释放动态内存free(dyn_arr);return 0;
}

  使用gcc编译器进行编译，其命令为：

gcc -o main -Wall -std=c99 -g test.c

  记住！为了能生成调试信息，编译命令需加-g 参数

  运行结果为：

5、调试

5.1、基础操作

5.1.1、启动GDB

  启动GDB所使用的命令为gdb [程序名]，如下所示：

5.1.2、运行程序

  直接运行程序的命令是 run ，效果如下所示：

可以看到，在程序输出相关内容之前，有三行信息：

Starting program: /home/orange/main
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".

  这段GDB输出信息表示的是在使用GDB启动程序时，GDB检测到了程序使用了线程，并且已经启用了线程调试功能。

  具体来说，各部分的含义如下：

   [Thread debugging using libthread_db enabled]：这行表示GDB已经启用了线程调试功能，这是通过使用libthread_db库实现的。libthread_db是一个提供线程调试功能的库，它使得GDB能够跟踪和调试多线程程序。

   Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".：这行说明了GDB正在使用的libthread_db库的具体位置。在这个例子中，这个库位于/lib/x86_64-linux-gnu/目录下，并且库的文件名为libthread_db.so.1。

  这有什么意义吗？

  事实上，如果程序是多线程的，那么就可以使用GDB来设置线程相关的断点，查看和操作各个线程的状态，这对于调试多线程程序是非常有用的。

  在程序的最后有一行这样的输出：

[Inferior 1 (process 2001) exited normally]

  这段GDB输出信息表示的是调试的程序（在这里称为“inferior”，即被调试的程序）已经正常退出了。

  具体来说含义如下：

   [Inferior 1 (process 2001) exited normally]：这行表示编号为1的被调试进程（如果同时调试多个进程，每个进程都会有一个编号）已经正常退出了。process 2001指的是这个进程的进程ID（PID），这是一个在系统中唯一标识进程的数字。exited normally意味着程序没有遇到错误或异常，而是按照预期完成了执行并退出。

5.1.4、清屏操作

  在调试过程中，输出的信息太多，扰乱了视觉，这时候可以按下Ctrl + L键进行清屏。

5.1.5、步进调试

5.1.5.1、start命令：运行程序后，停留在主函数第一行

  以本例程为例，run命令将会如果想从头到尾运行一遍程序，但更多的时候，我们更想进行步进调试，此时就需要使用start命令来进行调试，执行命令后，效果如下所示：

  上面所解释过的信息此处不再解释，让我们关注新出现的信息：

  1. Temporary breakpoint 1 at 0x555555555314: file test.c, line 64.：

   这行表示GDB在指定的位置设置了一个临时的断点。Temporary breakpoint 1指的是这是第一个临时断点（如果设置了多个断点，它们将按设置顺序编号）。

   0x555555555314是断点设置在程序中的内存地址。这个地址是程序中main函数开始执行的地方。

   file test.c, line 64说明断点设置在test.c文件的第64行。这意味着当程序执行到test.c文件的第64行时，将会暂停。

  我们可以从源代码中看到，第64行正是主函数的函数头下一行：

  2. Temporary breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffe3d8) at test.c:64

   这行表示程序在执行时遇到了之前设置的临时断点。Temporary breakpoint 1再次指出了这是第一个临时断点。

   main (argc=1, argv=0x7fffffffe3d8)是main函数的参数。argc是传递给main函数的参数数量（在这个例子中是1），argv是一个指向参数字符串数组的指针（在这个例子中是0x7fffffffe3d8）。

   at test.c:64再次指出了断点位于test.c文件的第64行。

5.1.5.2、step命令：单步执行，会进入函数内部

  为了能够更好的进行举例，此处先提前使用一条命令break 126在第126行处设立一个断点，同时使用continue命令执行到断点处，这两条命令后面再解释，此处只需要知道程序在此处设立了一个断点并执行到断点处即可。效果如下：

  此时我们使用step命令即可进入函数中进行一步步调试，效果如下：

  可以查看到第60行（函数内的）的代码为：

  从上面的结果可以看到，程序进入了函数的内部。

5.1.5.3、next命令：单步执行，不会进入函数内部

  让我们使用start命令重启一下程序的调试，然后再执行continue命令执行到断点处，随后执行next命令观察跟step命令有何区别：

  从图中可以看到，使用了next命令之后直接执行函数并进入下一行，并不会进入到函数内部。此处部分代码如下图所示：

5.1.5.4、continue命令：继续执行程序直到下一个断点

  从上面的结果也可以看出来，continue的作用就是程序运行到程序的断点处停下来，等待程序员的进一步操作，此处不再举例。

5.1.6、list命令：输出断点处周围的代码

  使用start命令重启调试，而后直接使用list命令就能查看周围几行代码，list命令的基本用法是：

list [start[, end]]

  其中start是开始查看的行号，end是结束查看的行号。如果不指定end，GDB将默认显示从start开始的10行代码。

  举一些例子：

list 10：从第10行开始显示源代码，默认显示10行。
list 10, 20：显示从第10行到第20行的源代码。
list , 20：显示当前文件中从当前行到第20行的源代码。
list 10, ：显示当前文件中从第10行到文件末尾的源代码。

  如果想在特定的文件中查看代码，可以这样做：

list [filename:]start[, end]

  举一些例子：

list test.c:10：显示test.c文件中从第10行开始的源代码。
list test.c:10, 20：显示test.c文件中从第10行到第20行的源代码。

  以本博文的例程为例，使用start命令重启调试后，直接运行list命令：

  查看当前文件的1~15行内容：

  显示test.c文件中从第50行到第75行的源代码：

5.1.7、断点

5.1.7.1、设置指定行的断点

  break命令可以设置断点，程序在运行到断点处会停下，等待程序员的进一步操作。
  设置指定行断点的命令格式为：

break [行号]

  比如在第66行、第67行和第68行设置断点：

5.1.7.2、查看所有断点信息

  查看断点信息的命令为：

info breakpoints

  具体效果为：

  这里解释一下输出信息：

• Num：断点的编号。
• Type：断点的类型，比如breakpoint、watchpoint等。
• Disp：断点的处置方式，keep表示断点在程序重新启动时保持，del表示断点在程序停止时删除。
• Enb：断点是否启用，y表示已启用，n表示已禁用。
• Address：断点设置在程序中的内存地址。
• What：断点所在的函数和文件位置。

5.1.7.3、在函数入口处设置断点

  在GDB中可以在函数入口处设置断点使用函数名。使用函数名设置断点时，GDB会在函数的第一条指令处停止执行。这是设置断点的常用方法，因为它不依赖于具体的行号，而是依赖于函数名，这样即使代码发生了变化，断点仍然有效。

  要设置一个函数入口处的断点，可以使用以下命令：

break function_name

  比如在本例中：

break print_student

  执行结果为：

5.1.7.4、删除断点

  删除断点可以使用delete 命令，格式为：

delete number

  number是行号，可以使用info breakpoints命令进行查看，比如要删除num 4的的断点：

  也可以连续删除：

  如果想全部删除，那么直接使用delete命令即可：

5.1.8 print：查看变量

5.1.8.1、查看基本变量

  在调试程序的时候，需要查看变量的值，如果是基本变量，可以直接使用以下命令格式：

print <表达式>

  举例一下，我们要观察GDB打印以下这些变量的值：

  那么使用start开始调试，会看到这三个变量的值都为以下这些情况：

  这是变量未初始化导致的，当我们在这些变量下面设置一个断点并运行到断点处，再观察输出：

  此时就能看到变量被初始化了。

5.1.8.2、查看数组元素的值

  除了可以打印基本变量的值，还可以打印数组元素的值，现在来看一下代码：

  此时在第72行处添加断点，并使用continue命令来执行到断点处，保证数组已经被初始化，而后再用print命令对数组元素的值来进行观察。

5.1.8.3、查看字符串

  想要观察字符串，此时还是需要设置一个断点，而后在运行到断点处，这时候在使用print命令去查看。

5.1.8.4、打印指针和它们指向的值

  一样是下断点，一样是运行到断点处，一样是使用print命令观察输出。此部分代码为：

  观察调试结果：

5.1.8.5、打印结构体的字段

  相关代码：

  调试结果：

5.1.8.6、打印数组的所有元素的值

  事实上，print命令不仅仅可以观察单个元素的值，还能看整个数组的值，比如在本例程中，arr、str和students都是数组，都能一次性查看所有成员的值：

  dyn_arr属于动态内存分配的数组，单独打印变量名得到的是内存地址，我们需要将dyn_arr的第一个元素强制转换为包含5个整数的数组，才能打印出元素的值：

5.1.9、退出GDB

  退出GDB的命令是q：

---

                                             未完待续

---

5.2 中级操作

5.2.1 条件断点

5.2.1.1 基本概念

  条件断点：在断点上附加一个布尔表达式，仅当这个表达式为真时，调试器才会中断程序。

5.2.1.2 使用场景

  当在只对程序中的某些特定情况感兴趣时，可以使用条件断点。例如，只想在数组越界或某个变量值达到特定条件时暂停程序。

5.2.1.3 优点

  提高调试效率，不必每次循环都中断，且可以针对复杂的逻辑设置条件，使得调试更加精准。

5.2.1.4 注意事项

  1、条件表达式的编写要遵循C语言或你使用的编程语言的语法规则。
  2、条件断点的计算和检查会增加调试器的开销，可能会稍微减慢程序的运行速度。

5.2.1.5 举例