GDB的深入研究

GDB的深入研究

一、GDB代码调试

（一）GDB调试实例

• 在终端中编译一个示例C语言小程序，保存为文件 gdblianxi.c 中，用GCC编译。

• 在上面的命令行中，使用-o参数指定了编译生成的可执行文件名为 gdblianxi，使用参数-g表示将源代码信息编译到可执行文件中。如果不使用参数-g，会给后面的GDB调试造成不便。
• 下面输入“gdb”命令启动GDB，将首先显示GDB说明：

• 下面使用“file”命令载入被调试程序 gdblianxi（这里的 gdblianxi 即前面 GCC 编译输出的可执行文件）

• 上图中最后一行“(gdb) ”为GDB内部命令引导符，等待用户输入GDB命令。
• 上图倒数第二行提示已经加载成功。
• 下面使用“r”命令执行（Run）被调试文件，因为尚未设置任何断点，将直接执行到程序结束
• 使用“b”命令在 main 函数开头设置一个断点（Breakpoint）
• 之后一行提示已经成功设置断点，并给出了该断点信息：在源文件 gdblianxi.c 第14行处设置断点；这是本程序的第一个断点（序号为1）；断点处的代码地址为 0x40055d。向上看源代码，第14行中的代码为“n = 1”，恰好是 main 函数中的第一个可执行语句（因为前面的“int n;”为变量定义语句，并非可执行语句）。
• 再次使用“r”命令执行（Run）被调试程序：

• 程序中断在gdblianxi.c第14行处，即main函数是第一个可执行语句处。 上面最后一行信息为：下一条将要执行的源代码为“n = 1;”，它是源代码文件gdblianxi.c中的第14行。
• 下面使用“s”命令（Step）执行下一行代码（即第14行“n = 1;”）：

• 上面的信息表示已经执行完“n = 1;”，并显示下一条要执行的代码为第15行的“n++;”。

• 下面我们分别在第21行打印处、tempFunction 函数开头各设置一个断点（分别使用命令“b 21”“b tempFunction”）：

• 使用“c”命令继续（Continue）执行被调试程序，程序将中断在第二个断点（21行），此时全局变量 nGlobalVar 的值应该是 88；再一次执行“c”命令，程序将中断于第三个断点（7行，tempFunction 函数开头处），此时tempFunction 函数的两个参数 a、b 的值应分别是 1 和 2：

• 再一次执行“c”命令（Continue），因为后面再也没有其它断点，程序将一直执行到结束：

（二）GDB常用命令

命令	解释	示例
file <文件名>	加载被调试的可执行程序文件。 因为一般都在被调试程序所在目录下执行GDB，因而文本名不需要带路径	(gdb) file gdblianxi
r	Run的简写，运行被调试的程序。 如果此前没有下过断点，则执行完整个程序；如果有断点，则程序暂停在第一个可用断点处。	(gdb) r
c	Continue的简写，继续执行被调试程序，直至下一个断点或程序结束。	(gdb) c
b <行号> b <函数名称> b * <函数名称> b * <代码地址> d [编号]	b: Breakpoint的简写，设置断点。两可以使用“行号”“函数名称”“执行地址”等方式指定断点位置。 其中在函数名称前面加“*”符号表示将断点设置在“由编译器生成的prolog代码处”。如果不了解汇编，可以不予理会此用法。 d: Delete breakpoint的简写，删除指定编号的某个断点，或删除所有断点。断点编号从1开始递增。	(gdb) b 8 (gdb) b main (gdb) b * main (gdb) b * 0x804835c (gdb) d
s, n	s: 执行一行源程序代码，如果此行代码中有函数调用，则进入该函数； n: 执行一行源程序代码，此行代码中的函数调用也一并执行。 s 相当于其它调试器中的“Step Into (单步跟踪进入)” n 相当于其它调试器中的“Step Over (单步跟踪)” 这两个命令必须在有源代码调试信息的情况下才可以使用（GCC编译时使用“-g”参数）。	(gdb) s (gdb) n
si, ni	si命令类似于s命令，ni命令类似于n命令。 所不同的是，这两个命令（si/ni）所针对的是汇编指令，而s/n针对的是源代码。	(gdb) si (gdb) ni
p <变量名称>	Print的简写，显示指定变量（临时变量或全局变量）的值。	(gdb) p i (gdb) p nGlobalVar
display ... undisplay <编号>	display，设置程序中断后欲显示的数据及其格式。 例如，如果希望每次程序中断后可以看到即将被执行的下一条汇编指令，可以使用命令“display /i $pc” 其中 $pc 代表当前汇编指令，/i 表示以十六进行显示。当需要关心汇编代码时，此命令相当有用。 undispaly，取消先前的display设置，编号从1开始递增。	(gdb) display /i $pc (gdb) undisplay 1
i	Info的简写，用于显示各类信息，详情请查阅“help i”。	(gdb) i r
q	Quit的简写，退出GDB调试环境。	(gdb) q
help [命令名称]	GDB帮助命令，提供对GDB名种命令的解释说明。 如果指定了“命令名称”参数，则显示该命令的详细说明；如果没有指定参数，则分类显示所有GDB命令，供用户进一步浏览和查询。	(gdb) help display

二、CGDB代码调试

• cgdb可以看作gdb的界面增强版，cgdb主要功能是在调试时进行代码的同步显示，这增加了调试的方便性，提高了调试效率。其他功能则与gdb一样，可使用其常用命令。所以这里只做简单介绍，常用命令等参见gdb。

主要功能介绍：

（1）相比GDB，增加了语法加亮的代码窗口，显示在GDB窗口的上部，随GDB的调试位置代码同步显示。

（2）断点设置可视化 。

（3）在代码窗口中可使用GDB常用命令 。

（4）在代码窗口可进行代码查找，支持正则表达式 。

界面及使用说明

（1）代码窗口

调试时同步显示被调试程序源代码，自动标记出程序运行到的位置。当焦点在代码窗口时，可以浏览代码、查找代码以及执行命令 ，操作方式同vi 。常用命令如下：

 i ： 焦点切换到GDB窗口 。
 o ：打开文件选择框，可选择要显示的代码文件 。
 空格 ：设置/取消断点 。
 k：向上移动
 j：向下移动
 /：查找

（2）状态条窗口

• 同vi的状态条，一般显示当前打开的源文件名，当代码窗口进入命令状态时，显示输入的命令等信息

（3）GDB窗口

• CGDB的操作界面，同GDB ,按ESC键则焦点切换到代码窗口 。

• 启动&退出——启动：cgdb；退出：在代码窗口或GDB窗口，执行quit命令 。

代码实现：

“(gdb)”表示GDB已经启动，等待我们输入命令。此时程序并未开始运行，输入“run”开始运行程序。这种方式在GDB内部运行程序：

List n,m表示显示n到m行的代码

设置断点，break n,用step单步执行(这里break 21)：

三、汇编代码调试

汇编级的调试或跟踪，需要用到display命令“display /i $pc”，如上表所示，

“display /i $pc”
其中 $pc 代表当前汇编指令，/i 表示以十六进行显示。当需要关心汇编代码时，此命令相当有用。
undispaly，取消先前的display设置，编号从1开始递增。
 

并且以后程序每次中断都将显示下一条汇编指定（“si”命令用于执行一条汇编代码——区别于“s”执行一行C代码）

接下来我们试一下命令“b *<函数名称>”。 为了更简明，有必要先删除目前所有断点（使用“d”命令——Delete breakpoint）

当被询问是否删除所有断点时，输入“y”并按回车键即可。
下面使用命令“b *main”在 main 函数的 prolog 代码处设置断点（prolog、epilog，分别表示编译器在每个函数的开头和结尾自行插入的代码）：

此时可以使用“i r”命令显示寄存器中的当前值———“i r”即“Infomation Register”，
也可以输入“i r 寄存器名”显示任意一个指定的寄存器值：

最后输入命令“q”，退出（Quit）GDB调试环境

四、DDD代码调试

（一）DDD简介

• DDD，全称是Data Display Debugger，对于Linux系统中的编程人员来说，它就是windows系统下面的visual studio ，功能强大，是Linux世界中少数有图形界面的程序调试工具。DDD是命令行调试器的图形前端，除了一般的程序调试功能以外，还具有交互式图形数据显示的功能。它在嵌入式应用开发中也十分出色。DDD最初源于1990年Andreas Zeller编写的VSL结构化语言，后来经过一些程序员的努力，演化成今天的模样。DDD的功能非常强大，可以调试用C\C++、Ada、 Fortran、Pascal、Modula-2和Modula-3编写的程序；可以超文本方式浏览源代码；能够进行断点设置、回溯调试和历史纪录编辑；具有程序在终端运行的仿真窗口，并在远程主机上进行调试的能力；图形数据显示功能（Graphical Data Display）是创建该调试器的初衷之一，能够显示各种数据结构之间的关系，并将数据结构以图形化形式显示；具有GDB/DBX/XDB的命令行界面，包括完全的文本编辑、历史纪录、搜寻引擎。

（二）DDD调试过程

打开终端命令行窗口，输入命令vi testddd.c，建立testddd.c文件作为之后调试的文件：

在testddd.c文件中输入一些C语言的程序数据，DDD工具可以调试很多种程序设置基于的代码，本次调试以C语言作为说明对象。

把testddd.c文件编译成可以执行的文件testddd，命令：gcc -g -o testddd testddd.c，注意一定要带-g参数，否则生成的可执行文件中没有必要的调试信息，最终使用DDD工具不能调试。

运行DDD调试工具，直接输入命令ddd就可以打开DDD工具。

DDD工具打开后如下图所示，上面较大空白部分为代码区，和工具区，分割线下面是调试生成信息区。

点击菜单栏上的“文件”----->“打开程序”，准备打开我们上面准备的testddd.c文件

在打开程序框中，定位到我们要调试的程序的目录下，在Files列表下选择我们要调试 信息，之后点击左下方的打开按钮。

调试程序打开后，在代码区可以看到我们的代码，右边的一些按钮是我们调试要用的工具。

在代码区点鼠标右键，会弹出如图所示的菜单：

我们可以给程序设置断点等，点击工具区里面的Run按钮，可以执行程序，在下面的调试信息区可以看到程序的执行结果。

如上图所示：在鼠标右键点击的地方设置了断点，在下方调试信息生成区显示了程序运行的输入信息。

PS：也可以在Terminal中输入ddd 文件名来直接打开ddd调试该文件的界面：

在怀疑程序哪个变量为可疑变量时，可以在控制台输入如下命令

或者在主窗口原程序中点击某个变量如sum选中该变量，右击后选择display sum 选项就会看到该变量的值在主窗口的上方。 接着往下单步运行，多次点击工具栏中的“Step”按钮，观察变量sum的结果。

如果问题出在count上。这时点击命令工具栏上的“Kill”按钮将程序断掉，把初始化sum的那一句改正确。重新运行之后，发现结果正确，调试过程完毕。

（三）常用命令简介

run       执行程序
step      单步调试
kill      杀死正在运行的程序
interrupt 退出此次调试回到原始状态

• DDD的数据显示功能非常强大。
• 对于固定大小的数组，用鼠标选中数组名，点击plot按钮即可画出图形。
• 对于变长数组，可以使用graph plot数组名[起始索引] @ 数组大小的命令来显示。
• 对于复杂的数据结构，DDD也可以用图形方式解析： DDD有一个detect aliases的选项，可以智能的判别数据是否会被重复显示。这种方式通过内存地址的检测来实现的。

五、段错误

• 定义：段错误是指访问的内存超出了系统给这个程序所设定的内存空间，例如访问了不存在的内存地址、访问了系统保护的内存地址、访问了只读的内存地址等等情况。

段错误产生的原因:
（1） 访问不存在的内存地址
（2） 访问系统保护的内存地址
（3） 访问只读的内存地址
（4） 栈溢出

下面以原因一访问不存在的内存地址为例，进行实践。

（一）使用gcc和gdb（对于简单代码）

• 首先，编写一段代码，访问不存在内存地址。编译后进入CGDB，运行程序：

• 从输出中可以看出，程序收到SIGSEGV信号，触发段错误，并提示0x00000000004004e6、调用main报的错，在Derro.c中23行。并且在代码窗口第23行被标记出来。

• 适用场景

仅当能确定程序一定会发生段错误的情况下使用。
当程序的源码可以获得的情况下，使用-g参数编译程序。
一般用于测试阶段，生产环境下gdb会有副作用：使程序运行减慢，运行不够稳定，等等。
即使在测试阶段，如果程序过于复杂，gdb也不能处理。

（二）使用core文件和gdb

• 提到段错误会触发SIGSEGV信号，通过man 7 signal，可以看到SIGSEGV默认的handler会打印段错误出错信息，并产生core文件，由此我们可以借助于程序异常退出时生成的core文件中的调试信息，使用gdb工具来调试程序中的段错误。
• 查看core文件发现不存在：

• 查看系统core文件的大小限制，发现为0，这样不会自动生成core文件。把大小设置为1000。运行程序后再次查看可看到存在core文件：

• 加载core文件，使用gdb工具进行调试。从输出中可以看出同样的段错误信息：

六、多进程与多线程

（一）多进程

1、进程的基本概念

• 进程定义了一个计算的基本单元，可以认为是一个程序的一次运行。它是一个动态实体，是独立的任务。它拥有独立的地址空间、执行堆栈、文件描述符等。 每个进程拥有独立的地址空间，进程间正常情况下，互不影响，一个进程的崩溃不会造成其他进程的崩溃。 当进程间共享某一资源时，需注意两个问题：同步问题和通信问题。

2、创建进程

• 父进程通过调用fork函数来创建一个新的运行子进程。fork函数定义如下：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t fork(void);

• fork函数只被调用一次，但是会返回两次：父进程返回子进程的PID，子进程返回0.如果失败返回-1。
• fork后，子进程和父进程继续执行fork（）函数后的指令。子进程是父进程的副本。子进程拥有父进程的数据空间、堆栈的副本。但父、子进程并不共享这些存储空间部分。如果代码段是只读的，则父子进程共享代码段。如果父子进程同时对同一文件描述字操作，而又没有任何形式的同步，则会出现混乱的状况； 父进程中调用fork之前打开的所有描述字在函数fork返回之后子进程会得到一个副本。fork后，父子进程均需要将自己不使用的描述字关闭，有两方面的原因：（1）以免出现不同步的情况；（2）最后能正常关闭描述字

• 在BSD3.0中开始出现，主要为了解决fork昂贵的开销。它是完全共享的创建，新老进程共享同样的资源，完全没有拷贝。 两者的基本区别在于当使用vfork()创建新进程时，父进程将被暂时阻塞，而子进程则可以借用父进程的地址空间。这个奇特状态将持续直到子进程退出或调用execve()函数，至此父进程才继续执行。

3、终止进程

进程的终止存在两个可能：（1）父进程先于子进程终止（init进程领养） （2）子进程先于主进程终止。对于后者，系统内核为子进程保留一定的状态信息：进程ID、终止状态、CPU时间等；当父进程调用wait或waitpid函数时，获取这些信息； 当子进程正常或异常终止时，系统内核向其父进程发送SIGCHLD信号；缺省情况下，父进程忽略该信号，或者提供一个该信号发生时即被调用的函数。

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

• 本函数终止调用进程。关闭所有子进程打开的描述符，向父进程发送SIGCHLD信号，并返回状态。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *stat_loc);

• 返回：终止子进程的ID－成功；-1－出错；statloc存储子进程的终止状态（一个整数）；

• 如果没有终止的子进程，但是有一个或多个正在执行的子进程，则该函数将堵塞，直到有一个子进程终止或者wait被信号中断时，wait返回。 当调用该系统调用时，如果有一个子进程已经终止，则该系统调用立即返回，并释放子进程所有资源。

pidt waitpid(pidt pid, int *statloc, int options);

• 返回：终止子进程的ID－成功；-1－出错；statloc存储子进程的终止状态；
• 当pid=-1,option=0时，该函数等同于wait，否则由参数pid和option共同决定函数行为，其中pid参数意义如下：

-1：要求知道任何一个子进程的返回状态（等待第一个终止的子进程）；
>0：要求知道进程号为pid的子进程的状态；
<-1:　wait  for  any  child process whose process group ID is equal to the absolute value of pid.

• Options最常用的选项是WNOHANG,它通知内核在没有已终止进程时不要堵塞。

• 调用wait或waitpid函数时，正常情况下，可能会有以下几种情况：

阻塞（如果其所有子进程都还在运行）；
获得子进程的终止状态并立即返回（如果一个子进程已终止，正等待父进程存取其终止状态）； 
出错立即返回（如果它没有任何子进程）

4、调试进程

• 一般情况下，父进程fork一个子进程，gdb只会继续调试父进程而不会管子进程的运行。如果想跟踪子进程进行调试，可以使用set follow-fork-mode mode来设置fork跟随模式。
• set follow-fork-mode 所带的mode参数可以是以下的一种：

    parent        gdb只跟踪父进程，不跟踪子进程，这是默认的模式。
    child         gdb在子进程产生以后只跟踪子进程，放弃对父进程的跟踪。

• 进入gdb以后，我们可以使用show follow-fork-mode来查看目前的跟踪模式。

• 可以看到目前使用的模式是parent。

• 有时，我们想同时调试父进程和子进程，以上的方法就不能满足了。Linux提供了set detach-on-fork mode命令来供我们使用。其使用的mode可以是以下的一种：

    on        只调试父进程或子进程的其中一个(根据follow-fork-mode来决定)，这是默认的模式。
    off       父子进程都在gdb的控制之下，其中一个进程正常调试(根据follow-fork-mode来决定)

• 另一个进程会被设置为暂停状态。
• 同样，show detach-on-fork显示了目前是的detach-on-fork模式，如图所示。

• 以上是调试fork产生子进程的情况，但是如果子进程使用exec系统函数而装载了新程序执行，我们就使用set follow-exec-mode mode提供的模式来跟踪这个exec装载的程序。mode可以是以下的一种：

 new 当发生exec的时候，如果这个选项是new，则新建一个inferior给执行起来的子进程，而父进程的inferior仍然保留，当前保留的inferior的程序状态是没有执行。
 same 当发生exec的时候，如果这个选项是same(默认值)，因为父进程已经退出，所以自动在执行exec的inferior上控制子进程。 

（二）多线程

• 线程：运行在单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度，共享同一进程的虚拟地址空间。

基于线程的并发编程

• 线程由内核自动调度，每个线程都有它自己的线程上下文（thread context），包括一个惟一的整数线程ID（Thread ID,TID），栈，栈指针，程序计数器，通用目的寄存器和条件码。每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分，包括整个用户的虚拟地址空间，它是由只读文本（代码），读/写数据，堆以及所有的共享库代码和数据区域组成的，还有，线程也共享同样的打开文件的集合。
• 线程不像进程那样，不是按照严格的父子层次来组织的。和一个进程相关的线程组成一个对等线程池，独立于其他线程创建的线程。进程中第一个运行的线程称为主线程。对等（线程）池概念的主要影响是，一个线程可以杀死它的任何对等线程，或者等待它的任意对等线程终止；进一步来说，每个对等线程都能读写相同的共享数据。
• 线程是可执行代码的可分派单元。这个名称来源于“执行的线索”的概念。在基于线程的多任务的环境中，所有进程有至少一个线程，但是它们可以具有多个任务。这意味着单个程序可以并发执行两个或者多个任务。
• 简而言之，线程就是把一个进程分为很多片，每一片都可以是一个独立的流程。这已经明显不同于多进程了，进程是一个拷贝的流程，而线程只是把一条河流截成很多条小溪。它没有拷贝这些额外的开销，但是仅仅是现存的一条河流，就被多线程技术几乎无开销地转成很多条小流程，它的伟大就在于它少之又少的系统开销。

linux提供的多线程的系统调用：

（1）函数pthread_create用来创建一个线程，它的原型为：

extern int pthread_create __P ((pthread_t *__thread, __const pthread_attr_t *__attr,void *(*__start_routine) (void *), void *__arg));

第一个参数为指向线程标识符的指针，第二个参数用来设置线程属性，第三个参数是线程运行函数的起始地址，最后一个参数是运行函数的参数。

（2）函数pthread_join用来等待一个线程的结束。函数原型为：

2extern int pthread_join __P ((pthread_t __th, void **__thread_return));

第一个参数为被等待的线程标识符，第二个参数为一个用户定义的指针，它可以用来存储被等待线程的返回值。这个函数是一个线程阻塞的函数，调用它的函数将一直等待到被等待的线程结束为止，当函数返回时，被等待线程的资源被收回。

（3）一个线程的结束有两种途径，一种是象我们上面的例子一样，函数结束了，调用它的线程也就结束了；另一种方式是通过函数pthread_exit来实现。它的函数原型为：

extern void pthread_exit __P ((void *__retval)) __attribute__ ((__noreturn__));

唯一的参数是函数的返回代码，只要pthread_ join中的第二个参数thread_ return不是NULL，这个值将被传递给 thread_return。

最后要说明的是，一个线程不能被多个线程等待，否则第一个接收到信号的线程成功返回，其余调用pthread_join的线程则返回错误代码ESRCH。

• Linux系统下的多线程遵循POSIX线程接口，称为pthread。编写Linux下的多线程程序，需要使用头文件pthread.h，连接时需要使用库libpthread.a。Linux下pthread的实现是通过系统调用clone（）来实现的。clone（）是Linux所特有的系统调用，它的使用方式类似fork。

• 下面代码示例：

• 代码分析：主线程做自己的事情，生成2个子线程，task1为分离，任其自生自灭，而task2还是继续送外卖，需要等待返回。

• 编译运行：

• 多次运行发现结果并不完全相同，这是不同的线程抢占CPU的结果。

七、心得体会

这篇GDB的深入研究是我做的第一个加分项目，到此算是告一段落了。在做之前，一直感觉GDB调试是很困难的一件事，但是自己真正去实践才发现它并没有我想象中的那么难。这次我完成了GDB代码调试、CGDB代码调试、汇编代码调试、DDD代码调试以及多进程与多线程的学习，中途也遇到过很多问题，但是通过查阅资料，参考之前的学长学姐的经验最终都解决了。不知不觉，写博客已经有一年的时间了，这门课程也快结束了。从一开始的烦躁到后面的适应再到习惯，自己自主学习的能力提升了太多。以后继续加油！