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GDB调试信息分享

在一定程度上学习了C源码之后，决定提高对各类开发工具的学习。准备学习一下GDB，Makefile，Cmake和git等工具。

1. GDB简介

GDB (GNU Debugger) 是GNU软件系统中的强大调试工具，它可以让我们在程序运行时观察程序的内部状态，主要用于调试用C、C++等编译型语言编写的程序。GDB的主要功能包括：

启动程序，并指定可能影响其行为的任何内容
使程序在指定条件下停止
程序停止时检查发生了什么
修改程序中的内容，以便纠正错误的影响

1.1 为什么选择GDB？

开源免费：作为GNU项目的一部分，GDB是完全开源的
功能强大：从简单到复杂的调试场景都能胜任
跨平台：支持多种操作系统和处理器架构
社区支持：有大量的文档、教程和用户社区
广泛集成：很多IDE都集成了GDB作为其调试后端

2. 安装配置

2.1 Linux系统

在大多数Linux发行版中，可以通过包管理器安装GDB：

# Debian/Ubuntu系统
sudo apt-get update
sudo apt-get install gdb# Red Hat/CentOS系统
sudo yum install gdb# Arch Linux
sudo pacman -S gdb

2.2 macOS系统

在macOS上，可以通过Homebrew安装：

brew install gdb

注意：macOS有安全限制，需要对GDB进行代码签名才能正常调试程序。详细步骤如下：

创建自签名证书
使用证书对GDB进行签名
配置系统信任该证书

具体命令请参考macOS下配置GDB部分。

2.3 Windows系统

在Windows上，可以通过以下方式获取GDB：

安装MinGW或Cygwin，它们包含GDB
使用MSYS2环境
通过Visual Studio的WSL扩展使用Linux版GDB

2.4 验证安装

安装完成后，打开终端输入：

gdb --version

如果显示版本信息，则表示安装成功。

3. 基础命令

3.1 启动GDB

# 调试可执行文件
gdb program# 调试正在运行的进程
gdb -p PID# 调试core dump文件
gdb program core# 启动并传递参数
gdb --args program arg1 arg2

3.2 基本GDB命令

命令	缩写	功能
`help`	`h`	显示帮助信息
`run`	`r`	运行程序
`break`	`b`	设置断点
`continue`	`c`	继续执行
`next`	`n`	单步执行（不进入函数）
`step`	`s`	单步执行（进入函数）
`finish`	`fin`	运行到当前函数返回
`print`	`p`	打印变量值
`backtrace`	`bt`	显示调用栈
`info`	`i`	显示各种信息
`list`	`l`	显示源代码
`quit`	`q`	退出GDB

3.3 GDB交互模式

GDB提供了一个交互式命令行界面。启动GDB后，你会看到(gdb)提示符，表示GDB已准备好接收命令。

$ gdb ./myprogram
GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04.1) 9.2
...
(gdb)

在这个提示符下，你可以输入各种命令来控制程序的执行和检查程序状态。

4. 断点操作

断点是调试的核心功能，它让程序在指定位置暂停执行，以便你检查程序状态。

4.1 设置断点

# 在指定行设置断点
(gdb) break filename:linenum
(gdb) b main.c:15# 在函数入口设置断点
(gdb) break function
(gdb) b main# 按条件设置断点
(gdb) break filename:linenum if condition
(gdb) b main.c:15 if i==100

4.2 管理断点

# 列出所有断点
(gdb) info breakpoints
(gdb) i b# 删除断点
(gdb) delete breakpoint_num
(gdb) d 1# 禁用/启用断点
(gdb) disable breakpoint_num
(gdb) enable breakpoint_num# 设置临时断点（只触发一次）
(gdb) tbreak location

4.3 高级断点

# 在满足条件时中断程序
(gdb) watch expression
(gdb) watch x>0# 读取变量时中断
(gdb) rwatch variable# 修改变量时中断
(gdb) awatch variable# 捕获异常
(gdb) catch throw

5. 检查程序状态

当程序在断点处停止时，可以检查其状态：

5.1 查看源代码

# 显示当前位置周围的代码
(gdb) list
(gdb) l# 显示指定函数的代码
(gdb) list function
(gdb) l main# 显示指定行周围的代码
(gdb) list linenum
(gdb) l 10

5.2 检查变量

# 打印变量值
(gdb) print variable
(gdb) p i# 打印表达式
(gdb) print expression
(gdb) p i+j*2# 打印数组
(gdb) print array[index]
(gdb) p array[5]
(gdb) p *array@len

5.3 检查内存

# 检查指定地址的内存内容
(gdb) x/nfu address
(gdb) x/10xw ptr  # 以十六进制显示10个字长# 参数说明：
# n - 内存单元的数量
# f - 显示格式（x-十六进制，d-十进制，c-字符等）
# u - 单元大小（b-字节，h-半字，w-字，g-双字）

5.4 检查调用栈

# 显示调用栈
(gdb) backtrace
(gdb) bt# 查看详细栈帧
(gdb) info frame
(gdb) i f# 切换栈帧
(gdb) frame frame_num
(gdb) f 2

6. 控制程序执行

6.1 启动与停止

# 开始运行程序
(gdb) run [args]
(gdb) r# 继续执行到下一个断点
(gdb) continue
(gdb) c# 中止程序
(gdb) kill

6.2 单步执行

# 执行一行源代码，不进入函数
(gdb) next
(gdb) n# 执行一行源代码，进入函数
(gdb) step
(gdb) s# 执行到当前函数返回
(gdb) finish
(gdb) fin# 继续执行指定行数
(gdb) advance location

6.3 跳转执行

# 跳过一段代码
(gdb) jump linenum
(gdb) j 25# 执行到指定位置
(gdb) until location
(gdb) u 50

7. 监视变量

7.1 显示命令

# 设置自动显示
(gdb) display expression
(gdb) display i# 查看display设置
(gdb) info display# 取消自动显示
(gdb) undisplay display_num
(gdb) delete display display_num

7.2 检查数据结构

# 打印结构体
(gdb) print struct_var
(gdb) p *struct_ptr# 打印类的成员
(gdb) print object.member
(gdb) p this->member# 设置打印选项
(gdb) set print pretty on  # 美化打印结构体
(gdb) set print array on   # 美化打印数组
(gdb) set print object on  # 显示完整对象

8. 调试多线程程序

8.1 查看线程

# 显示所有线程
(gdb) info threads# 切换到指定线程
(gdb) thread thread_num

8.2 控制线程

# 仅在当前线程执行命令
(gdb) set non-stop on# 设置所有线程的断点
(gdb) break location thread all# 让一个特定线程在断点处停止
(gdb) break location thread thread_num

8.3 多线程调试策略

# 在一个线程停止时，所有线程都停止
(gdb) set schedule-multiple off# 定位线程间竞争
(gdb) set scheduler-locking on  # 只运行当前线程

9. 调试核心转储文件

当程序崩溃时，系统可能会生成核心转储文件（core dump），包含程序崩溃时的状态。

9.1 生成核心转储文件

首先确保系统允许生成核心转储文件：

# 允许生成无限大小的核心转储文件
ulimit -c unlimited

9.2 调试核心转储文件

# 调试核心转储文件
gdb program core

在GDB中，可以检查崩溃时的状态：

(gdb) bt  # 查看崩溃时的调用栈
(gdb) frame 0  # 切换到崩溃位置
(gdb) print variables  # 检查相关变量

10. 高级技巧

10.1 GDB脚本

可以创建GDB命令脚本文件：

# mycommands.gdb
break main
run
next 5
print i
continue

然后在GDB中执行：

(gdb) source mycommands.gdb

10.2 自定义命令

# 定义自定义命令
(gdb) define mycommand
Type commands for definition of "mycommand".
End with a line saying just "end".
> print i
> print j
> print i+j
> end# 使用自定义命令
(gdb) mycommand

10.3 条件断点与日志

# 条件断点
(gdb) break location if condition# 断点命令列表
(gdb) break location
(gdb) commands
> silent
> print variable
> continue
> end

10.4 修改程序状态

# 修改变量值
(gdb) set variable = value
(gdb) set i = 100# 调用函数
(gdb) call function(args)
(gdb) call printf("i = %d\n", i)# 执行表达式
(gdb) print expression

11. 常见错误与调试案例

11.1 段错误 (Segmentation Fault)

段错误是最常见的错误之一，通常由以下原因导致：

访问未初始化或已释放的指针
数组越界访问
栈溢出

调试步骤：

运行程序直到崩溃
使用backtrace查看调用栈
检查指针变量

(gdb) run
Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
(gdb) bt
(gdb) frame 0
(gdb) print pointer
(gdb) x/10xw pointer

11.2 内存泄漏

使用Valgrind等工具配合GDB:

valgrind --leak-check=full ./program

然后在报告的泄漏位置设置断点进行调试。

11.3 死锁

多线程死锁调试：

(gdb) info threads
(gdb) thread apply all bt

检查所有线程的调用栈，寻找互相等待的资源。

11.4 调试实际案例

案例1: 空指针解引用

#include <stdio.h>void process(int *p) {printf("%d\n", *p);  // 可能的空指针解引用
}int main() {int *ptr = NULL;process(ptr);return 0;
}

调试流程：

(gdb) break process
(gdb) run
(gdb) next
(gdb) print p
$1 = (int *) 0x0

案例2: 数组越界

#include <stdio.h>int main() {int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};for (int i = 0; i <= 5; i++) {  // 错误：应该是i < 5arr[i] *= 2;}return 0;
}