使用 GDB 调试 Linux 软件

GNU 调试器简介

转自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/sdk/gdb/index.html

级别： 初级

David SeagerCICS/390 开发部，IBM Hursley

2001 年 2 月 01 日

    Linux的大部分特色源自于shell的GNU调试器，也称作gdb。gdb可以让您查看程序的内部结构、打印变量值、设置断点，以及单步调试源代码。它是功能极其强大的工具，适用于修复程序代码中的问题。在本文中，David Seager将尝试说明gdb有多棒，多实用。

    开始调试之前，必须用程序中的调试信息编译要调试的程序。这样，gdb才能够调试所使用的变量、代码行和函数。如果要进行编译，请在gcc（或g++）下使用额外的'-g'选项来编译程序：

                gcc -g eg.c -o eg

    在shell中，可以使用'gdb'命令并指定程序名作为参数来运行gdb，例如'gdb eg'；或者在 gdb中，可以使用file命令来装入要调试的程序，例如'file eg'。这两种方式都假设您是在包含程序的目录中执行命令。装入程序之后，可以用gdb命令'run'来启动程序。

    如果一切正常，程序将执行到结束，此时gdb将重新获得控制。但如果有错误将会怎么样？这种情况下，gdb会获得控制并中断程序，从而可以让您检查所有事物的状态，如果运气好的话，可以找出原因。为了引发这种情况，我们将使用一个示例程序：

#include
int wib(int no1, int no2)
{
      int result, diff;


      diff = no1 - no2;
      result = no1 / diff;
     


      return result;
}


int main(int argc, char *argv[])
{
      int value, div, result, i, total;
 


      value = 10;
      div = 6;
      total = 0;


      for(i = 0; i < 10; i++) {
          result = wib(value, div);
          total += result;
          div++;
          value--;
      }


      printf("%d wibed by %d equals %d\n", value, div, total);


      return 0;
}


    这个程序将运行10次 for 循环，使用"wib()"函数计算出累积值，最后打印出结果。

    在您喜欢的文本编辑器中输入这个程序（要保持相同的行距），保存为'eg1.c'，使用'gcc -g eg1.c -o eg1'进行编译，并用'gdb eg1'启动gdb。使用'run'运行程序可能会产生以下消息：

Program received signal SIGFPE, Arithmetic exception.
0x80483ea in wib (no1=8, no2=8) at eg1.c:7
7 result = no1 / diff;
(gdb)


    gdb指出在程序第7行发生一个算术异常，通常它会打印这一行以及wib()函数的自变量值。要查看第7行前后的源代码，请使用'list'命令，它通常会打印10行。再次输入'list'（或者按回车重复上一条命令）将列出程序的下10行。从gdb消息中可以看出，第7行中的除法运算出了错，程序在这一行中将变量"no1"除以"diff"。

    要查看变量的值，使用gdb 'print'命令并指定变量名。输入'print no1'和'print diff'，可以相应看到"no1"和"diff"的值，结果如下：

(gdb) print no1
$5 = 8
(gdb) print diff
$2 = 0


    gdb指出"no1"等于 8，"diff" 等于0。根据这些值和第7行中的语句，我们可以推断出算术异常是由除数为0的除法运算造成的。清单显示了第6行计算的变量 "diff"，我们可以打印"diff" 表达式（使用'print no1 - no2'命令），来重新估计这个变量。gdb告诉我们wib函数的这两个自变量都等于8，于是我们要检查调用wib()函数的main()函数，以查看这是在什么时候发生的。在允许程序自然终止的同时，我们使用'continue'命令告诉 gdb 继续执行。

(gdb) continue
Continuing.
Program terminated with signal SIGFPE, Arithmetic exception.
The program no longer exists.


    为了查看在main()中发生了什么情况，可以在程序代码中的某一特定行或函数中设置断点，这样gdb会在遇到断点时中断执行。可以使用命令'break main'在进入 main()函数时设置断点，或者可以指定其它任何感兴趣的函数名来设置断点。然而，我们只希望在调用wib()函数之前中断执行。输入'list main'将打印从main()函数开始的源码清单，再次按回车将显示第21行上的 wib()函数调用。要在那一行上设置断点，只需输入'break 21'。gdb将发出以下响应：

(gdb) break 21
Breakpoint 1 at 0x8048428: file eg1.c, line 21.


    以显示它已在我们请求的行上设置了1号断点。'run'命令将从头重新运行程序，直到gdb中断为止。发生这种情况时，gdb会生成一条消息，指出它在哪个断点上中断，以及程序运行到何处：

Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffff954) at eg1.c:21
21 result = wib(value, div);


    发出'print value'和'print div'将会显示在第一次调用wib()时，变量分别等于10和 6，而'print i'将会显示0。幸好，gdb将显示所有局部变量的值，并使用'info locals'命令保存大量输入信息。

    从以上的调查中可以看出，当"value"和"div"相等时就会出现问题，因此输入'continue' 继续执行，直到下一次遇到1号断点。对于这次迭代，'info locals'显示了value=9和div=7。

    与其再次继续，还不如使用'next'命令单步调试程序，以查看"value"和"div"是如何改变的。gdb将响应：

(gdb) next
22 total += result;


    再按两次回车将显示加法和减法表达式：

(gdb)
23 div++;
(gdb)
24 value--;


    再按两次回车将显示第21行，wib()调用。'info locals'将显示目前"div"等"value"，这就意味着将发生问题。如果有兴趣，可以使用'step'命令（与'next'形成对比，'next'将跳过函数调用）来继续执行wib()函数，以再次查看除法错误，然后使用'next'来计算 "result"。

    现在已完成了调试，可以使用'quit'命令退出gdb。由于程序仍在运行，这个操作会终止它，gdb将提示您确认。

    由于我们想要知道在调用wib()函数之前"value" 什么时候等于"div"，因此在上一示例中我们在第21行中设置断点。我们必须继续执行两次程序才会发生这种情况，但是只要在断点上设置一个条件就可以使gdb只在"value"与"div"真正相等时暂停。要设置条件，可以在定义断点时指定 "break if "。将eg1再次装入gdb，并输入：

(gdb) break 21 if value==div
Breakpoint 1 at 0x8048428: file eg1.c, line 21.


    如果已经在第21行中设置了断点，如1号断点，则可以使用'condition'命令来代替在断点上设置条件：

(gdb) condition 1 value==div

    使用'run'运行eg1.c时，如果"value"等于"div"，gdb将中断，从而避免了在它们相等之前必须手工执行'continue'。调试C程序时，断点条件可以是任何有效的C表达式，一定要是程序所使用语言的任意有效表达式。条件中指定的变量必须在设置了断点的行中，否则表达式就没有什么意义！

    使用'condition'命令时，如果指定断点编号但又不指定表达式，可以将断点设置成无条件断点，例如，'condition 1'就将1号断点设置成无条件断点。

    要查看当前定义了什么断点及其条件，请发出命令'info break'：

(gdb) info break
Num Type Disp Enb Address What
1 breakpoint keep y 0x08048428 in main at eg1.c:21
        stop only if value == div
        breakpoint already hit 1 time


    除了所有条件和已经遇到断点多少次之外，断点信息还在'Enb'列中指定了是否启用该断点。可以使用命令'disable '、'enable '或'delete '来禁用、启用和彻底删除断点，例如'disable 1'将阻止在 1号断点处中断。

    如果我们对"value"什么时候变得与"div"相等更感兴趣，那么可以使用另一种断点，称作监视。当指定表达式的值改变时，监视点将中断程序执行，但必须在表达式中所使用的变量在作用域中时设置监视 点。要获取作用域中的"value"和"div"，可以在main函数上设置断点，然后运行程序，当遇到main()断点时设置监视点。重新启动gdb，并装入eg1，然后输入：

(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x8048402: file eg1.c, line 15.
(gdb) run
...
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffff954) at eg1.c:15
15 value = 10;


    要了解"div"何时更改，可以使用'watch div'，但由于要在"div"等于"value"时中断，那么应输入：

(gdb) watch div==value
Hardware watchpoint 2: div == value


    如果继续执行，那么当表达式"div==value"的值从0（假）变成1（真）时，gdb将中断：

(gdb) continue
Continuing.
Hardware watchpoint 2: div == value
Old value = 0
New value = 1
main (argc=1, argv=0xbffff954) at eg1.c:19
19 for(i = 0; i < 10; i++)


    'info locals'命令将验证"value"是否确实等于"div"（再次声明，是 8）。

    'info watch'命令将列出已定义的监视点和断点（此命令等价于'info break'），而且可以使用与断点相同的语法来启用、禁用和删除监视点。

    在gdb下运行程序可以使俘获错误变得更容易，但在调试器外运行的程序通常会中止而只留下一个core文件。gdb可以装入core文件，并让您检查程序中止之前的状态。

    在gdb外运行示例程序eg1将会导致核心信息转储：

$ ./eg1
Floating point exception (core dumped)


    要使用core文件启动gdb，在shell中发出命令'gdb eg1 core'或'gdb eg1 -c core'。gdb将装入core文件，eg1的程序清单，显示程序是如何终止的，并显示非常类似于我们刚才在gdb下运行程序时看到的消息：

	...

	Core was generated by `./eg1'.

	Program terminated with signal 8, Floating point exception.

	...

	#0  0x80483ea in wib (no1=8, no2=8) at eg1.c:7

              7         result = no1 / diff;

    此时，可以发出'info locals'、'print'、'info args'和'list'命令来查看引起除数为零的值。'info variables'命令将打印出所有程序变量的值，但这要进行很长时间，因为gdb将打印C库和程序代码中的变量。为了更容易地查明在调用wib()的函数中发生了什么情况，可以使用gdb的堆栈命令。

    程序“调用堆栈”是当前函数之前的所有已调用函数的列表（包括当前函数）。每个函数及其变量都被分配了一个“帧”，最近调用的函数在0号帧中（“底部”帧）。要打印堆栈，发出命令'bt'（'backtrace'[回溯]的缩写）：

(gdb) bt
#0 0x80483ea in wib (no1=8, no2=8) at eg1.c:7
#1 0x8048435 in main (argc=1, argv=0xbffff9c4) at eg1.c:21


    此结果显示了在main()的第21行中调用了函数wib()（只要使用'list 21'就能证实这一点），而且wib()在0号帧中，main()在1号帧中。由于wib()在0号帧中，那么它就是执行程序时发生算术错误的函数。

    实际上，发出'info locals'命令时，gdb会打印出当前帧中的局部变量，缺省情况下，这个帧中的函数就是被中断的函数（0号帧）。可以使用命令'frame'打印当前帧。要查看main函数（在1 号帧中）中的变量，可以发出'frame 1'切换到1号帧，然后发出'info locals'命令：

(gdb) frame 1
#1 0x8048435 in main (argc=1, argv=0xbffff9c4) at eg1.c:21
21 result = wib(value, div);
(gdb) info locals
value = 8
div = 8
result = 4
i = 2
total = 6


    此信息显示了在第三次执行 "for" 循环时（i等于2）发生了错误，此时"value"等于 "div"。

    可以通过如上所示在'frame'命令中明确指定号码，或者使用'up'命令在堆栈中上移以及'down'命令在堆栈中下移来切换帧。要获取有关帧的进一步信息，如它的地址和程序语言，可以使用命令 'info frame'。

    gdb堆栈命令可以在程序执行期间使用，也可以在core文件中使用，因此对于复杂的程序，可以在程序运行时跟踪它是如何转到函数的。

    除了调试core文件或程序之外，gdb还可以连接到已经运行的进程（它的程序已经过编译，并加入了调试信息），并中断该进程。只需用希望gdb连接的进程标识替换core文件名就可以执行此操作。以下是一个执行循环并睡眠的 示例程序：

示例代码

#include
int main(int argc, char *argv[])
{
      int i;
      for(i = 0; i < 60; i++){
        sleep(1);
      }
      return 0;
}


    使用'gcc -g eg2.c -o eg2'编译该程序并使用'./eg2 &'运行该程序。请留意在启动该程序时在背景上打印的进程标识，在本例中是1283：

./eg2 &
[3] 1283


    启动gdb并指定进程标识，在我举的这个例子中是'gdb eg2 1283'。gdb会查找一个叫作 "1283" 的core文件。如果没有找到，那么只要进程1283正在运行（在本例中可能在 sleep() 中），gdb就会连接并中断该进程：

...
/home/seager/gdb/1283: No such file or directory.
Attaching to program: /home/seager/gdb/eg2, Pid 1283
...
0x400a87f1 in __libc_nanosleep () from /lib/libc.so.6
(gdb)


    此时，可以发出所有常用gdb命令。可以使用'backtrace'来查看当前位置与main()的相对关系，以及mian()的帧号是什么，然后切换到main()所在的帧，查看已经在"for"循环中运行了多少次：

(gdb) backtrace
#0 0x400a87f1 in __libc_nanosleep () from /lib/libc.so.6
#1 0x400a877d in __sleep (seconds=1) at ../sysdeps/unix/sysv/linux/sleep.c:78
#2 0x80483ef in main (argc=1, argv=0xbffff9c4) at eg2.c:7
(gdb) frame 2
#2 0x80483ef in main (argc=1, argv=0xbffff9c4) at eg2.c:7
7 sleep(1);
(gdb) print i
$1 = 50


    如果已经完成了对程序的修改，可以'detach'命令继续执行程序，或者'kill'命令杀死进程。还可以首先使用'file eg2'装入文件，然后发出'attach 1283'命令连接到进程标识1283下的eg2。

其它小技巧

    gdb可以让您通过使用shell命令在不退出调试环境的情况下运行shell命令，调用形式是'shell [commandline]'，这有助于在调试时更改源代码。

    最后，在程序运行时，可以使用'set'命令修改变量的值。在gdb下再次运行eg1，使用命令'break 7 if diff==0'在第7行（将在此处计算结果）设置条件断点，然后运行程序。当gdb中断执行时，可以将"diff" 设置成非零值，使程序继续运行直至结束：

Breakpoint 1, wib (no1=8, no2=8) at eg1.c:7
7 result = no1 / diff;
(gdb) print diff
$1 = 0
(gdb) set diff=1
(gdb) continue
Continuing.
0 wibed by 16 equals 10
Program exited normally.


结束语

    GNU调试器是所有程序员工具库中的一个功能非常强大的工具。在本文中，我只介绍了gdb的一小部分功能。要了解更多知识，建议您阅读GNU调试器手册。

参考资料

•    您可以参阅本文在developerWorks全球站点上的 英文原文.
•    GNU 调试器手册
•    调试会话示例的源代码。
•    连接示例的源代码。

关于作者

    David Seager是IBM的软件开发人员，他从事Linux和基于Web的应用工作已有两年时间了。