一文搞懂 | C语言编程必备技能—GDB调试

正文

一、GDB 简介

GDB（GNU Debugger） 是一款开源调试工具，支持多种编程语言（如 C、C++、Python 等），主要用于在程序运行时检查其状态，包括变量值、内存布局、调用堆栈等。它可以帮助开发者定位逻辑错误、内存泄漏、段错误等问题。

1. 安装 GDB

Linux：大多数发行版自带 GDB，可通过包管理器安装：

sudo apt update
sudo apt install gdb

Windows：可以通过 MinGW 或 Cygwin 安装 GDB。

macOS：使用 Homebrew 安装：

brew install gdb

二、编译带有调试信息的程序

为了使用 GDB 调试，编译时需加入 -g 选项，保留调试信息（如变量名、源代码行号等）。

gcc -g program.c -o program

三、启动 GDB

启动 GDB 并加载可执行文件：

gdb ./program

进入 GDB 交互界面后，可以输入命令进行调试。

四、基本调试命令

1. 查看源代码

• list（或 l）：显示当前代码。
• list main：显示 main 函数附近的代码。
• list 10：显示第 10 行附近的代码。

2. 设置断点

• break main：在 main 函数入口设置断点。
• break 20：在第 20 行设置断点。
• break filename.c:line：在指定文件的指定行设置断点。

3. 运行程序

• run（或 r）：启动程序，遇到断点会暂停。

4. 单步执行

• next（或 n）：执行下一行代码，不进入函数内部。
• step（或 s）：执行下一行代码，进入函数内部。
• finish：执行完当前函数并暂停。

5. 查看变量值

• print x（或 p x）：打印变量 x 的值。
• print /x x：以十六进制打印变量 x。
• display x：每次暂停时自动显示 x 的值。

6. 修改变量值

• set variable x = 10：在程序运行时修改变量 x 的值为 10。

7. 查看调用栈

• backtrace（或 bt）：显示当前调用栈，查看函数调用顺序。
• frame n：切换到第 n 个栈帧（用于查看局部变量）。

8. 继续执行

• continue（或 c）：继续执行程序，直到遇到下一个断点或程序结束。

9. 退出 GDB

• quit（或 q）：退出 GDB。

五、进阶调试技巧

1. 条件断点

在特定条件下触发断点：

break 20 if x > 10

当 x > 10 时，程序会在第 20 行暂停。

2. 观察点（Watchpoints）

监控变量值的变化：

watch x

当变量 x 的值被修改时，程序会暂停。

3. 多线程调试

• info threads：查看所有线程。
• thread n：切换到第 n 个线程。
• break foo thread 2：在线程 2 中设置断点。

4. 调试 Core 文件

当程序崩溃时，系统会生成 Core 文件（需提前设置允许生成 Core 文件）：

ulimit -c unlimited

使用 GDB 分析 Core 文件：

gdb ./program core

在 GDB 中使用 bt 查看崩溃时的调用栈。

5. 反汇编调试

• disassemble（或 dis）：显示当前函数的汇编代码。
• x/8xb &x：以十六进制查看变量 x 的内存布局。

6. 自动化调试脚本

编写 .gdbinit 文件，定义调试时自动执行的命令。例如：

# .gdbinit
break main
run

六、完整调试实例

1. 示例代码：swap.c

#include <stdio.h>

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

int main() {
    int a = 10, b = 20;
    printf("Before swap: a = %d, b = %d\n", a, b);
    swap(&a, &b);
    printf("After swap: a = %d, b = %d\n", a, b);
    return 0;
}

2. 编译程序

gcc -g swap.c -o swap

3. 启动 GDB 并调试

gdb ./swap

4. 调试步骤

查看源代码：

(gdb) list

设置断点：

(gdb) break main
(gdb) break swap

运行程序：

(gdb) run

单步执行：

(gdb) step

查看变量值：

(gdb) print a
(gdb) print b

发现逻辑错误：

• 在 swap 函数中，变量 p1 和 p2 的值交换了，但 a 和 b 的值未改变。
• 修改代码为：void swap(int *p1, int *p2) { int tmp = *p1; *p1 = *p2; *p2 = tmp; }

重新编译并调试：

gcc -g swap.c -o swap
gdb ./swap

七、调试常见问题

1. 程序崩溃

• 原因：访问非法内存、空指针、数组越界等。
• 解决方法：
  • 使用 bt 查看崩溃时的调用栈。
  • 使用 watch 监控变量值变化。

2. 死循环

• 原因：循环条件错误或逻辑缺陷。
• 解决方法：
  • 设置断点检查循环条件。
  • 使用 step 单步执行循环体。

3. 内存泄漏

• 原因：未释放动态分配的内存。
• 解决方法：
  • 使用 Valgrind 检查内存泄漏。
  • 在 GDB 中使用 watch 监控内存分配与释放。

八、总结

GDB 是 Linux 环境下调试 C 程序的强大工具，掌握其基本命令和高级技巧可以显著提升调试效率。通过实践以下步骤，开发者可以快速定位并修复代码中的问题：

1. 编译程序时加入 -g 参数。
2. 使用 break 设置断点。
3. 使用 run 启动程序。
4. 使用 step 和 next 单步执行。
5. 使用 print 和 watch 监控变量。
6. 使用 bt 查看调用栈。
7. 分析 Core 文件解决崩溃问题。

通过不断实践和探索 GDB 的高级功能（如条件断点、观察点、多线程调试），可以更高效地调试复杂程序，提升代码质量和开发效率。