C語言工具使用，GDB個人學習筆記

c gdb 新手上路學習筆記自學筆記

吳他，惟手熟爾 2021-07-02 22:58:55 ‧ 38410 瀏覽

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gdb

簡介

除錯器(debugger)，可以在一個精準受控的環境下執行另一個程式。例如: 單步執行程式，跟蹤程式，查看變數內容，記憶體地址，以及程式中每一條指令指行完畢後CPU暫存器的變化情況，檢視程式呼叫堆疊等等。

gdb，全名為gnu debugger，是在GNU軟體系統中的標準除錯器，介面為互動式的shell，許多類Unix，如:FreeBSD, Linux等作業系統中都能夠使用，支援許多語言，包括C, C++等。

詳細的gdb使用手冊，可以在shell中輸入info gdb查閱。

示範程式

以下為範例程式gdb_example.c

#include <stdio.h>

void swap(int *, int*);

int main(void)
{
    int a = 10;
    int b = 20;
    printf("The old values: a = %d, b = %d.\n", a, b);
    swap(&a, &b);
    printf("The new values: a = %d, b = %d.\n", a, b);
    return 0;
}

void swap(int *p1, int *p2)
{
    int *p = p1;
    p1 = p2;
    p2 = p;
}

符號式除錯器(symbolic debugger)

gdb是一種符號式除錯器(symbolic debugger)，所謂的符號式(symbolic)，意思是在程式執行的時候，可以使用在源程式中的變數名稱或是函式名稱。

為了顯示和翻譯這一些名稱，除錯器需要程式中的變數型別，函式型別等資訊，以及可執行檔中哪一條指令對應到源程式中哪一行code的訊息，而這一些訊息以符號表(symbol table)的形式出現，當使用gcc加上選項'g'進行編譯和鏈結時，會產生出符號表，這個符號表會被嵌入到可執行檔中。

因此，當我們需要對一個程式使用gdb進行debug，需要在gcc加上'g'的原因，是因為gdb需要可執行檔中的符號表作為變數和函式的判斷依據從而進行操作。

在一個可執行檔中嵌入符號表，並不會對執行檔效能產生影響，只會影響執行檔的檔案大小。

進行除錯

首先，先使用gcc產生出可執行檔，並在可執行檔中嵌入符號表

$ gcc -g gdb_example.c -o gdb_example

接下來我們執行gdb_example.out，會得到以下結果

The old values: a = 10, b = 20.
The new values: a = 10, b = 20.

顯然這不是我們想要的結果，我們呼叫了swap函式，但a和b這兩個變數卻沒有發生交換，我們可以嘗試使用gdb來找尋原因，使用以下指令

$ gdb ./gdb_example

得到以下畫面

最下方的Reading symbols from ./gdb_example表示gdb成功讀取到執行檔內的符號表，gdb可以使用。

上方畫面表示除錯器已經成功執行gdb_example，但在執行gdb_example之前，會等待使用者輸入指令。

gdb在執行每一行指令之前，都會輸出(gdb)，以提醒使用者輸入除錯指令，輸入list(或是簡寫成l)可以看到執行檔的前10行程式碼，在輸入一次list可看到後續10行的程式碼

在開始執行程式之前，我們可以設置中斷點(breakpoint)，讓程式在某一個地方中斷執行，當除錯器遇到中斷點時，除錯器會中斷正在進行的程式，提供一個檢查目前程式狀態的機會，檢視完畢後，我們可以繼續逐步進行程式，一行一行觀察程式的狀態，或是我們想要追蹤的變數狀態。

如果要設置中斷點，輸入break指令，或是簡寫成b即可達成目的，例如下方的示範，表示在gdb_example.c的第15行設置中斷點

(gdb) b 15

之後我們可以輸入run(或是簡寫成r)，開始執行程式

遇見中斷點時，程式會中斷，並等待使用者輸入指令。

我們懷疑swap()函式中可能存在錯誤，使我們無法成功交換兩變數的數值，因此我們希望可以一步步執行swap函式，而實現這個目的，gdb提供了next和step這兩個指令供我們使用；

兩者的差別為next會執行整行程式碼，包含所有的函數呼叫，然後在下一行繼續中斷目前程式的執行

而step則是根據符號表來決定是否進入函式，如果有效，則會呼叫函式，並在函式的第1行的地方中斷程式的執行

我們目前已經進入了函式，並且得到了p1和p2的記憶體地址，分別為
p1 = 0x55555555526d, p2 = 0x7fffffffdf96，輸入s後來到第17行，並執行int * p = p1，這時候我們可以檢查變數的值是否正確，我們可以使用print來檢視變數內容

我們可以確定p1和p2中的數值是正確的，接著我們可以繼續執行程式，使用n(next)，除錯器會分別執行18, 19, 20這三行程式碼，此時我們還在swap函式中，尚未離開函式

gdb會顯示目前執行到的行數，以及程式碼的內容，此時我們可以使用print檢視p1和p2的內容

可以看到p1和p2的數值確實發生了交換，但，這時候我們需要確認交換的是不是傳入的a和b，前面我們已經知道了a和b的記憶體地址，這裡我們可以試著查看p1和p2的記憶體地址確認這一件事情

這裡我們發現到了一件事情，理想上經過交換之後，p1應該是代表b，p2應該是要代表a，也因此p1的記憶體地址應該為0x7fffffffdf96，p2應該為0x55555555526d，因此我們確定了一件事情，p1指標和p2指標確實交換了數值，但不是由* p1和* p2記憶體地址去進行交換的，而這就是swap()函式所發生的錯誤，是要交換* p1和* p2所指向的整數，而不是儲存p1和p2變數的記憶體地址。我們可以使用quit指令，結束gdb，接著去修改程式。

修改後的swap如下

void swap(int *p1, int *p2)
{
    int tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = temp;
}

執行結果如下:

p.s: 我們在啟動gdb時，會有許多的版權宣告或是其他無關的訊息等等，我們可以透過以下參數讓gdb不顯示這一些訊息並啟動

$ gdb -silent

啟動之後我們可以再利用file指令去啟動我們想要進行除錯的程式

指令選項

gdb的指令選項大多數可以分為長選項和短選項這兩種格式。下面列出幾個常用的選項。
長選項，例如"-tty device"，這個選項需要額外的參數才能夠運作，我們可以使用空格或是'='進行分割，例如'-tty=/dev/tty6'，選項前可以加上連字符號'-'，例如'-quiet'和'--quiet'，這兩者的功能是相同的。

舉例:

--version, -v 顯示gdb的版本和版權宣告，然後退出gdb
--quiet, --silent 在不顯示版本和版權訊息的情況下啟動gdb
--help, -h 顯示gdb的指令語法，然後退出

gdb指令

help ( h )：顯示指令簡短說明。例：help breakpoint
file：開啟檔案。等同於 gdb filename
run ( r )：執行程式，或是從頭再執行程式。
kill：中止程式的執行。
backtrace ( bt )：顯示程式呼叫的堆疊(stack)。。會顯示出上層所有的 frame 的簡略資訊。
print ( p )：印出變數內容。例：print i，印出變數 i 的內容。
list ( l )：印出程式碼。若在編譯時沒有加上 -g 參數，list 指令將無作用。
whatis：印出變數的型態。例： whatis i，印出變數 i 的型態。
breakpoint (b, bre, break)：設定中斷點
使用 info breakpoint (info b) 來查看已設定了哪些中斷點。
在程式被中斷後，使用 info line 來查看正停在哪一行。
continue (c, cont)：繼續執行。和 breakpoint 搭配使用。
frame：顯示正在執行的行數、副程式名稱、及其所傳送的參數等等 frame 資訊。
　frame 2：看到 #2，也就是上上一層的 frame 的資訊。
next ( n )：單步執行，但遇到函式時會將呼叫的函式作為一個語句執行。
step ( s )：單步執行。但遇到函式時會進入呼叫的函式執行。
up：直接回到上一層的 frame，並顯示其 stack 資訊，如進入點及傳入的參數等。
up 2：直接回到上三層的 frame，並顯示其 stack 資訊。
down：直接跳到下一層的 frame，並顯示其 stack 資訊。
　必須使用 up 回到上層的 frame 後，才能用 down 回到該層來。
info：顯示一些特定的資訊。如： info break，顯示中斷點，
info share，顯示共享函式庫資訊。
disable：暫時關閉某個 breakpoint 或 display 之功能。
enable：將被 disable 暫時關閉的功能再啟用。
clear/delete：刪除某個 breakpoint。
attach PID：載入已執行中的程式以進行除錯。其中的 PID 可由 ps 指令取得。
detach PID：釋放已 attach 的程式。
shell：執行 Shell 指令。如：shell ls，呼叫 sh 以執行 ls 指令。
quit：離開 gdb。或是按下 Ctrl+C 也行。
按下Enter：直接執行上個指令

比較step和next，與backtrace的使用

範例程式

#include <stdio.h>

int func();
int main(void)
{
        printf("Hello World");
}

int func()
{
        printf("in func");
}

使用next進行逐步執行結果
- 我們使用bt去查看next的呼叫結果
使用step進行逐步執行結果
- 我們使用bt去追蹤step的呼叫結果

我們發現使用step或是next最終的輸出皆是Hello Worldin func，兩者的差別即是在函式中，如果碰到了printf這種函式，step會直接輸出printf的結果，以這個範例為例，如果是在main函式中碰到printf函式，便會直接印出Hello World。

但如果是step，則會進入到printf函式，並去追蹤printf的呼叫，我們使用bt這個指令發現到這一個現象，step去追蹤printf，發現printf呼叫了_vfprintf_internal，繼續使用step，接著追蹤，發現_vfprintf_internal呼叫了_IO_new_file_xsputn，不斷的追蹤下去

我們在上方有使用到backtrace(bt)指令，去追蹤程式呼叫的堆疊，我們也可以使用frame這個指令去檢視目前呼叫的堆疊，frame後方加上數字表示顯示第幾層堆疊的資訊

info這個指令可以顯示出任何我們想要的資訊，例如輸入info breakpoint可以顯示我們所下的所有中斷點

檢查點(watchpoint)

在gdb中，可以透過設定檢查點(watchpoint)來監測變數的讀寫操作，以及變化。檢查點類似中斷點，但差別在於檢查點並沒有綁定源程式碼中某一行程式碼，如果針對某一個變數設置檢查點，當該變數發生變化時，gdb就會中斷程式，和中斷點的差別為不會在是碰到某一行被中斷點標記的程式碼停下，而是標記的變數發生變化時。

檢查點不僅可以用來觀察變數，也可以用來觀察表達式中的變數值。可以使用watch, rwatch, awatch指令來設定不同的檢查點

watch expression 當expression的值發生改變時，程式中斷進行
rwatch expression 當程式讀取與計算與expression相關的任何對象時，程式中斷進行
awatch expression 當程式讀取或修改與計算expression相關的任何對象時，程式中段進行

檢查點最常見的用途為檢查程式'何時'修改某一個變數，當一個變數改變時，gdb會顯示被檢查的變數舊的數值和新的數值，以及下一行要執行的程式。以下方的程式作為範例

#include <stdio.h>

int main(void)
{
        int a = 10;
        int b = 20;
        int *iPtr = &a;

        ++*iPtr;
        puts("This is the statement following ++*iPtr.");

        printf("a = %d; bb = %d.\n", a, b);
        return 0;
}

我們先將中斷點設置在第9行，之後開始執行程式

我們對變數a設置檢查點，指令為watch a

之後使用continue繼續執行程式，直到a發生了改變，程式中斷

因為第9行的iPtr指向變數a，當第9行執行++*iPtr時，a發生了變化，因此程式中斷，並顯示下一行準備被執行的程式碼。

我們繼續執行這一個例子，我們為b設定一個讀取檢查點，指令為rwatch b，這個檢查點會被包含在中斷點列表中，使用info breakpoints指令可以確認是否在其中

我們可以發現目前有三個中斷點，分別為在源程式碼第9行的中斷點，變數a的檢查點，變數b的檢查點，接著繼續執行程式

發現在程式碼第12行的地方會對變數b進行讀取，因此程式進行中斷，接著繼續執行

當程式離開一個程式區塊(被大括號包住的區塊)，該區域內變數的檢查點會被自動刪除

繼續上方這個範例程式碼，我們可以看看對整個表達式設置檢查點會發生甚麼事情，
指令為rwatch a + b

我們讓程式繼續進行，會發現每一次只要a+b的值發生讀取或是計算，程式便會中斷

在第9行嘗試讀取a的值，中斷一次，改變a的值，再中斷一次
第12行a+b被讀取了兩次，分別先讀取a，再讀取b

總共中斷4次

核心檔案(core file)

核心檔案(core file)，也被稱作為核心轉存檔案(core dump)，當程式在執行的過程中發生了異常的中止或是非法存取記憶體，作業系統會將當時的記憶體狀態記錄下來，這個狀態包括暫存器狀態，程式堆疊等等，然後把這一些資訊儲存成一個檔案，而這個檔案被稱為核心轉存檔案(core dump)，這個檔案可以有效的協助我們對程式進行除錯。

舉例來說，如果我們非法存取記憶體時，程式會回報Segmentation fault這行字，但這樣的資訊是無法幫助我們除錯的，我們必須知道是哪一行程式碼觸發了這個錯誤，因此，我們必須使用core file來除錯。

通過gdb來分析核心檔案時，與一般的除錯不同，因為程式已經被中斷，我們無法通過bt, next, step這些指令來除錯，假設我們執行一個已經經過'-g'選項編譯過的檔案，執行core_dump這個程式
以下為core_dump.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int *b;
    
    
    scanf("%d", b);
    return 0;
}

使用未初始化的指標，造成Segmentation fault，我們執行core_dump的執行檔看看

./core_dump

產生了錯誤，此時在該執行檔所在的資料夾會產生一個名稱為core的檔案，這個檔案即為剛剛發生Segmentation fault所產生的，也就是核心轉存檔案，我們使用gdb來檢視他

gdb ./core_dump core

執行畫面如下

裏頭告訴我們Core是由執行core_dump這個執行檔所產生，下面則有一些堆疊呼叫的資訊，我們得知在呼叫_vfscanf_internal時發生了錯誤，但不知道是由哪一個函式呼叫了__vfscanf_internal，我們可以使用bt來檢視這個程式的函式堆疊

我們可以看到在程式第8行呼叫了__isoc99_scanf這個函式，而這個函式在第30行的地方呼叫了__vfscanf_internal這個函式，結果產生了Segmentation fault，__isoc99_scanf和vfscanf_internal皆為C的標準函式庫，因此發生錯誤的地方是在程式碼第8行scanf的地方，因為存取為初始化的指標而發生的錯誤，我們可以使用print b把b給印出來便會發現。