从一个实例来认识GDB与高效调试

GDB的全称是GNU project debugger，是类Unix系统上一个十分强大的调试器。这里通过一个简单的例子（插入算法）来介绍如何使用gdb进行调试，特别是如何通过中断来高效地找出死循环；我们还可以看到，在修正了程序错误并重新编译后，我们仍然可以通过原先的GDB session进行调试（而不需要重开一个GDB），这避免了一些重复的设置工作；同时，在某些受限环境中（比如某些实时或嵌入式系统），往往只有一个Linux字符界面可供调试。这种情况下，可以使用job在代码编辑器、编译器（编译环境）、调试器之间做到无缝切换。这也是高效调试的一个方法。

先来看看这段插入排序算法（a.cpp），里面有一些错误。

    // a.cpp  
    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>  
      
    int x[10];  
    int y[10];  
    int num_inputs;  
    int num_y = 0;  
      
    void get_args(int ac, char **av)  
    {   
       num_inputs = ac - 1;  
       for (int i = 0; i < num_inputs; i++)  
          x[i] = atoi(av[i+1]);  
    }  
      
    void scoot_over(int jj)  
    {   
       for (int k = num_y-1; k > jj; k++)  
          y[k] = y[k-1];  
    }  
      
    void insert(int new_y)  
    {   
       if (num_y = 0)  
       {  
          y[0] = new_y;  
          return;  
       }  
      
       for (int j = 0; j < num_y; j++)  
       {  
          if (new_y < y[j])  
          {  
             scoot_over(j);  
             y[j] = new_y;  
             return;  
          }  
       }  
    }  
      
    void process_data()  
    {  
       for (num_y = 0; num_y < num_inputs; num_y++)  
          insert(x[num_y]);  
    }  
      
    void print_results()  
    {   
       for (int i = 0; i < num_inputs; i++)  
          printf("%d\n",y[i]);  
    }  
      
    int main(int argc, char ** argv)  
    {   
       get_args(argc,argv);  
       process_data();  
       print_results();  
       return 0;  
    }  

    // a.cpp  
    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>  
      
    int x[10];  
    int y[10];  
    int num_inputs;  
    int num_y = 0;  
      
    void get_args(int ac, char **av)  
    {   
       num_inputs = ac - 1;  
       for (int i = 0; i < num_inputs; i++)  
          x[i] = atoi(av[i+1]);  
    }  
      
    void scoot_over(int jj)  
    {   
       for (int k = num_y-1; k > jj; k++)  
          y[k] = y[k-1];  
    }  
      
    void insert(int new_y)  
    {   
       if (num_y = 0)  
       {  
          y[0] = new_y;  
          return;  
       }  
      
       for (int j = 0; j < num_y; j++)  
       {  
          if (new_y < y[j])  
          {  
             scoot_over(j);  
             y[j] = new_y;  
             return;  
          }  
       }  
    }  
      
    void process_data()  
    {  
       for (num_y = 0; num_y < num_inputs; num_y++)  
          insert(x[num_y]);  
    }  
      
    void print_results()  
    {   
       for (int i = 0; i < num_inputs; i++)  
          printf("%d\n",y[i]);  
    }  
      
    int main(int argc, char ** argv)  
    {   
       get_args(argc,argv);  
       process_data();  
       print_results();  
       return 0;  
    }  

代码就不分析了，稍微花点时间应该就能明白。你能发现几个错误？

使用gcc编译：

gcc -g -Wall -o insert_sort a.cpp

"-g"告诉gcc在二进制文件中加入调试信息，如符号表信息，这样gdb在调试时就可以把地址和函数、变量名对应起来。在调试的时候你就可以根据变量名查看它的值、在源代码的某一行加一个断点等，这是调试的先决条件。“-Wall”是把所有的警告开关打开，这样编译时如果遇到warning就会打印出来。一般情况下建议打开所有的警告开关。

运行编译后的程序（./insert_sort），才发现程序根本停不下来。上调试器！（有些bug可能一眼就能看出来，这里使用GDB只是为了介绍相关的基本功能）

TUI模式

现在版本的GDB都支持所谓的终端用户接口模式（Terminal User Interface），就是在显示GDB命令行的同时可以显示源代码。好处是你可以随时看到当前执行到哪条语句。之所以叫TUI，应该是从GUI抄过来的。注意，可以通过ctrl + x + a来打开或关闭TUI模式。

gdb -tui ./insert_sort

死循环

进入GDB后运行run命令，传入命令行参数，也就是要排序的数组。当然，程序也是停不下来：

为了让程序停下来，我们可以发送一个中断信号（ctrl + c），GDB捕捉到该信号后会挂起被调试进程。注意，什么时候发送这个中断有点技巧，完全取决于我们的经验和程序的特点。像这个简单的程序，正常情况下几乎立刻就会执行完毕。如果感觉到延迟就说明已经发生了死循环（或其他什么），这时候发出中断肯定落在死循环的循环体中。这样我们才能通过检查上下文来找到有用信息。大型程序如果正常情况下就需要跑个几秒钟甚至几分钟，那么你至少需要等到它超时后再去中断。

此时，程序暂停在第44行（第44行还未执行），TUI模式下第44行会被高亮显示。我们知道，这一行是某个死循环体中的一部分。

因为暂停的代码有一定的随机性，可以多运行几次，看看每次停留的语句有什么不同。后面执行run命令的时候可以不用再输入命令行参数（“12 5”），GDB会记住。还有，再执行run的时候GDB会问是否重头开始执行程序，当然我们要从头开始执行。

基本确定位置后（如上面的44行），因为这个程序很小，可以单步（step）一条条语句查看。不难发现问题出在第24行，具体的步骤就省略了。

无缝切换

在编码、调试的时候，除非你有集成开发环境，一般你会需要打开三个窗口：代码编辑器（比如很多人用的VIM）、编译器（新开的窗口运行gcc或者make命令、执行程序等）、调试器。集成开发环境当然好，但某些倒闭的场合下你无法使用任何GUI工具，比如一些仅提供字符界面的嵌入式设备——你只有一个linux命令行可以使用。显然，如果在VIM中修改好代码后需要先关闭VIM才能敲入gcc的编译命令，或者调试过程中发现问题需要先关闭调试器才能重新打开VIM修改代码、编译、再重新打开调试器，那么不言而喻，这个过程太痛苦了！

好在可以通过Linux的作业管理机制，通过ctrl + z把当前任务挂起，返回终端做其他事情。通过jobs命令可以查看当前shell有哪些任务。比如，当我暂停GDB时，jobs显示我的VIM编辑器进程与GDB目前都处于挂起状态。

以下是些相关的命令，比较常用

fg %1         // 打开VIM，1是VIM对应的作业号

fg %2         // 打开GDB

bg %1         // 让VIM到后台运行

kill %1 && fg // 彻底杀死VIM进程

GDB的“在线刷新”

好了，刚才介绍了无缝切换，那我们可以在不关闭GDB的情况下（注意，ctrl + z不是关闭GDB这个进程，只是挂起）切换到VIM中去修改代码来消除死循环（把第24行的“if (num_y = 0)" 改成"if (num_y == 0)"）。动作序列可以是：

ctrl + z // 挂起GDB

jobs     // 查看VIM对应的作业号，假设为1

fg %1    // 进入VIM，修改代码..

ctrl + z // 修改完后挂起VIM

gcc -g -Wall -o insert_sort a.cpp // 重新编译程序

fg %2    // 进入GDB，假设GDB的作业号为2

现在，我们又返回GDB调试界面了！但在调试前还有一步，如何让GDB识别新的程序（因为程序已经重新编译）？只要再次运行run就可以了。因为GDB没有关闭，所以之前设置的断点、运行run时传入的命令行参数等还保留着，不需要重新输入。很好用吧！

GDB自动检测到程序发生改变，重新加载符号。

其他bug

关于本例中的其他bug，这里就不多说了。有兴趣的同学，可以和我讨论。