GDB调试指南入门篇：揭开程序运行世界的神秘面纱

# GDB调试指南入门篇：揭开程序运行世界的神秘面纱
在这篇文章中，你可以学习到以下内容：

- GDB 的基础知识和背景。
- 如何安装和设置 GDB。
- GDB 的基本命令和用法，包括如何启动一个程序、设置断点、查看程序状态、单步执行和调试简单的程序错误。
- 简单的调试示例，比如修复一个段错误或内存泄漏。

## **引言**

GDB，GNU Debugger的简称，作为开源世界的调试神器，它在Linux、Unix以及Windows（通过诸如Cygwin等环境）平台上，为C、C++及多种现代编程语言的开发者提供了一个功能全面、深度互动的调试平台。GDB不仅仅是一款工具，它是开发者深入理解程序执行流程、识别并解决复杂问题的伙伴。本文档旨在引领您超越GDB的基础应用，深入其核心特性与高级实践，助您在调试的征途中，以更为精湛的技艺，洞察代码的微妙与复杂。

## **安装GDB**

### **Linux/MacOS**
在大多数Linux发行版和MacOS中，GDB可以通过包管理器轻松安装。例如，在Ubuntu系统中，可以使用以下命令安装GDB：

```shell
sudo apt-get install gdb
```

![](/media/202407/2024-07-16_092902_3683360.6848852446570615.png)

在MacOS上，如果已经安装了Homebrew，可以通过以下命令安装：

```auto
brew install gdb
```

### **Windows**

Windows用户可以通过MinGW或MSYS2来获取GDB。安装完成后，确保将GDB的路径添加到系统的PATH环境变量中。

## **示例代码**

示例代码引入一个内存访问错误 —— 对空指针的解引用。这种错误类型经常导致程序崩溃并生成核心转储（core dump），是使用GDB进行调试的一个常见场景。

```c
#include <stdio.h>

int addNumbers(int* a, int* b) {
    // 在此错误地解引用传入指针
    // 未检查指针是否为NULL，如果是NULL，解引用将导致段错误
    return *a + *b;
}

int main(){
    int number1, number2, sum;
    int *ptr1 = NULL;
    // 故意设置为NULL，模拟错误的指针使用
    int *ptr2 = &number2;
    printf("请输入两个整数：");
    scanf("%d %d", &number1, &number2);

// 传入一个空指针和一个有效指针，这会引起运行时错误
    sum = addNumbers(ptr1, ptr2);
    printf("两个数的和为：%d\n", sum);
    return 0;
}
```

在这个代码中，addNumbers函数预期接收两个整数指针，但main函数中故意将ptr1设置为NULL，而这将导致在尝试解引用NULL指针时发生运行时错误（通常是段错误）。

## **GDB基本使用**

### **编译配置以支持调试信息**

开始之前，确保您的代码在编译时包含了必要的调试信息。使用GCC或G++时，添加选项是关键：

```shell
gcc -g add_numbers.c -o add_numbers
```

### **查看详细编译过程**

```shell
gcc -g add_numbers.c -o add_numbers -v
  
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/lto-wrapper
OFFLOAD_TARGET_NAMES=nvptx-none:hsa
OFFLOAD_TARGET_DEFAULT=1
Target: x86_64-linux-gnu
Configured with: ../src/configure -v --with-pkgversion='Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2' --with-bugurl=file:///usr/share/doc/gcc-9/README.Bugs --enable-languages=c,ada,c++,go,brig,d,fortran,objc,obj-c++,gm2 --prefix=/usr --with-gcc-major-version-only --program-suffix=-9 --program-prefix=x86_64-linux-gnu- --enable-shared --enable-linker-build-id --libexecdir=/usr/lib --without-included-gettext --enable-threads=posix --libdir=/usr/lib --enable-nls --enable-clocale=gnu --enable-libstdcxx-debug --enable-libstdcxx-time=yes --with-default-libstdcxx-abi=new --enable-gnu-unique-object --disable-vtable-verify --enable-plugin --enable-default-pie --with-system-zlib --with-target-system-zlib=auto --enable-objc-gc=auto --enable-multiarch --disable-werror --with-arch-32=i686 --with-abi=m64 --with-multilib-list=m32,m64,mx32 --enable-multilib --with-tune=generic --enable-offload-targets=nvptx-none=/build/gcc-9-9QDOt0/gcc-9-9.4.0/debian/tmp-nvptx/usr,hsa --without-cuda-driver --enable-checking=release --build=x86_64-linux-gnu --host=x86_64-linux-gnu --target=x86_64-linux-gnu
Thread model: posix
gcc version 9.4.0 (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-g' '-o' 'add_numbers' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/cc1 -quiet -v -imultiarch x86_64-linux-gnu add_numbers.c -quiet -dumpbase add_numbers.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase add_numbers -g -version -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -Wformat -Wformat-security -fstack-clash-protection -fcf-protection -o /tmp/ccGqEgGC.s
GNU C17 (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2) version 9.4.0 (x86_64-linux-gnu)
        compiled by GNU C version 9.4.0, GMP version 6.2.0, MPFR version 4.0.2, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.22.1-GMP

GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory "/usr/local/include/x86_64-linux-gnu"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/include-fixed"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../../x86_64-linux-gnu/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/include
 /usr/local/include
 /usr/include/x86_64-linux-gnu
 /usr/include
End of search list.
GNU C17 (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.2) version 9.4.0 (x86_64-linux-gnu)
        compiled by GNU C version 9.4.0, GMP version 6.2.0, MPFR version 4.0.2, MPC version 1.1.0, isl version isl-0.22.1-GMP

GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: 01da938ff5dc2163489aa33cb3b747a7
COLLECT_GCC_OPTIONS='-g' '-o' 'add_numbers' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 as -v --64 -o /tmp/ccRmDCPD.o /tmp/ccGqEgGC.s
GNU assembler version 2.34 (x86_64-linux-gnu) using BFD version (GNU Binutils for Ubuntu) 2.34
COMPILER_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../../lib/:/lib/x86_64-linux-gnu/:/lib/../lib/:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:/usr/lib/../lib/:/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-g' '-o' 'add_numbers' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/collect2 -plugin /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/liblto_plugin.so -plugin-opt=/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/lto-wrapper -plugin-opt=-fresolution=/tmp/cc2dZD1E.res -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s -plugin-opt=-pass-through=-lc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc -plugin-opt=-pass-through=-lgcc_s --build-id --eh-frame-hdr -m elf_x86_64 --hash-style=gnu --as-needed -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -pie -z now -z relro -o add_numbers /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/crtbeginS.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9 -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../../lib -L/lib/x86_64-linux-gnu -L/lib/../lib -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../.. /tmp/ccRmDCPD.o -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state -lc -lgcc --push-state --as-needed -lgcc_s --pop-state /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/crtendS.o /usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/crtn.o
COLLECT_GCC_OPTIONS='-g' '-o' 'add_numbers' '-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
```

### **启动GDB**

打开终端，你可以用GDB调试这个程序，观察它在何处以及如何失败：

```shell
gdb ./add_numbers
```

![](/media/202407/2024-07-16_100552_0451560.4975545414574849.png)

### **设置断点**

在程序的某一行设置断点，当程序执行到这一行时会暂停，允许你查看和修改程序状态。设置断点的命令为break或简写b，后面跟上函数名或行号，例如：

```auto
break main
```

![](/media/202407/2024-07-16_100619_0417820.3846378324043287.png)

或

```shell
break 9
break 11
```

### **运行程序**

使用run或r命令开始运行程序。如果设置了断点，程序会在到达第一个断点时暂停。

![](/media/202407/2024-07-16_100715_7265870.17487925877943566.png)

### **单步执行**

- next 或 n ：执行下一行代码，如果当前行是一个函数调用，则不会进入该函数内部。
- step 或 s：执行下一行代码或进入函数内部。

![](/media/202407/2024-07-16_100810_6532410.2888521453477775.png)

### **继续执行**

当程序暂停后，可以使用 continue 或 c 命令继续执行，直到遇到下一个断点。

![](/media/202407/2024-07-16_100835_9237420.6242379763197425.png)

### **查看变量和表达式**

在程序暂停时，可以使用 print 或 p 命令查看变量值或计算表达式，如：

```shell
print number1
```

![](/media/202407/2024-07-16_100908_6026690.8741606747552768.png)

或

```shell
p number1 + number2
```

![](/media/202407/2024-07-16_100956_6170040.26733477292994023.png)

### **发现 segmentation fault 并修复**

![](/media/202407/2024-07-16_101018_0665910.8637137945647562.png)

## **结语**

进入程序的运行世界，参透其内部逻辑机制，是一项既富有挑战又充满成就感的技能。GDB为你提供了一套强大的工具，帮你更好地理解程序是如何执行的——而这也是一位优秀的软件工程师所必备的能力。通过熟悉GDB，你将能够揭开程序的神秘面纱，深入理解代码背后的秘密，成为真正的软件钟表匠。