使用 GDB 调试 Linux 软件

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

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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。

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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.

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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" 等于 "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。

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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。

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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。

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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。

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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：

#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。

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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.

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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。