GDB： GNU 调试器

GDB，全称 GNU Project Debugger ，是 GNU 开源项目的一部分，是 Linux/Unix 系统下最经典、最强大、使用最广泛的命令行调试工具。它主要用于调试用 C、C++ 编写的程序，但也支持 Ada、Objective-C、Go、Rust、汇编等多种语言。

简而言之，GDB 是一个能让开发者深入到程序内部，像侦探一样观察、控制、分析程序运行状态的工具。

核心功能

GDB 的核心功能可以概括为以下四点，这也是一个调试器必须具备的能力：

启动与运行控制：可以按照你的指令启动程序，随时暂停、继续、或单步执行（一行一行地走）。
断点设置：可以在代码的任意位置（如某一行、某个函数入口）设置"断点"。程序运行到此处会自动暂停，让你进行检查。
程序状态检查 ：在程序暂停时，可以查看：
- 变量的值：当前作用域内任何变量的值。
- 调用栈 ：程序是如何一步步调用函数到达当前位置的（即 backtrace）。
- 寄存器内容： CPU 寄存器的值。
- 内存内容：查看任意内存地址的内容。
动态修改与修复：可以在调试过程中修改变量的值、调用函数、甚至修改正在执行的代码（有一定限制），用于快速测试假设，而无需重新编译。

为什么需要 GDB？

当程序出现以下问题时，printf 打印日志的方式往往效率低下或无能为力，而 GDB 是首选工具：

段错误：程序因非法访问内存而崩溃。GDB 可以立刻告诉你崩溃发生在哪一行代码，以及当时的函数调用栈。
逻辑错误：程序运行结果不对，但没有崩溃。GDB 可以让你一步步跟踪数据的变化。
死锁/多线程问题：程序"卡住"不动。GDB 可以查看所有线程的状态，定位在等待哪个锁。
理解复杂程序流程：对于大型或他人写的代码，单步执行是理清逻辑的最佳方式。
分析已崩溃的程序（Core Dump） ：即使程序已经崩溃，只要有产生的 core 文件，GDB 可以像时间机器一样"回放"崩溃瞬间。

核心概念与工作模式

被调试程序 ：你需要使用 -g 编译选项来编译你的程序（如 gcc -g program.c -o program），这个选项会在可执行文件中加入符号表 （变量名、函数名、行号等信息）。没有 -g，GDB 将无法关联二进制指令和你的源代码。
交互式命令行： GDB 本身是一个命令行环境，你输入命令，它给出反馈。
进程控制 ： GDB 通过 ptrace 系统调用"附着"在你的程序进程上，从而能完全控制其执行流，访问其内存空间。

基本命令与操作流程

让我们通过一个简单的例子来演示。假设有文件 bug.c：

c 复制代码

#include <stdio.h>

int faulty_sum(int n) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i <= n; i++) { // 错误：应该是 i < n
        sum += i;
    }
    return sum;
}

int main() {
    int result = faulty_sum(5);
    printf("Sum from 0 to 5 is: %d\n", result); // 预期 10，实际 15
    return 0;
}

1. 编译与启动

bash 复制代码

gcc -g bug.c -o bug    # 必须加 -g
gdb ./bug              # 启动 GDB 并加载程序

2. 设置断点

在 GDB 提示符 (gdb) 后：

bash 复制代码

(gdb) break main       # 在 main 函数入口设断点，缩写 b main
(gdb) break 8          # 在第 8 行设断点
(gdb) break faulty_sum # 在 faulty_sum 函数入口设断点
(gdb) info breakpoints # 查看所有断点

3. 运行程序

bash 复制代码

(gdb) run              # 开始执行，直到遇到第一个断点

4. 单步执行与继续

bash 复制代码

(gdb) next             # 执行下一行代码（不进入函数），缩写 n
(gdb) step             # 执行下一行代码（进入函数内部），缩写 s
(gdb) continue         # 继续运行直到下一个断点或程序结束，缩写 c
(gdb) finish           # 继续运行，直到当前函数返回

5. 查看数据

bash 复制代码

(gdb) print result     # 打印变量 result 的值，缩写 p result
(gdb) print i          # 打印循环变量 i 的值
(gdb) print sum        # 打印 sum 的值
(gdb) display sum      # 每次程序暂停时，自动显示 sum 的值
(gdb) info locals      # 查看当前函数的所有局部变量
(gdb) info args        # 查看当前函数的参数

6. 查看调用栈

bash 复制代码

(gdb) backtrace        # 显示函数调用栈，缩写 bt
(gdb) frame 0          # 切换到栈帧 0（通常是当前执行点）

7. 其他常用命令

list：列出当前位置附近的源代码。
watch sum：设置观察点 ，当 sum 变量被改变时，程序暂停。
quit：退出 GDB。
help [command]：查看命令帮助。

高级与实用功能

可视化模式：
bash 复制代码
```
gdb -tui ./bug
```
或 (gdb) layout src，会打开一个文本用户界面，上方显示源代码，下方是命令窗口。

多线程调试：

bash 复制代码

(gdb) info threads      # 列出所有线程
(gdb) thread 2          # 切换到 2 号线程
(gdb) break line_num thread all # 在所有线程的某行设置断点

分析 Core Dump：

bash 复制代码

ulimit -c unlimited          # 先允许系统生成 core 文件
./bug                        # 运行程序并让它崩溃
gdb ./bug core               # 加载程序和 core 文件
(gdb) backtrace              # 立刻看到崩溃时的栈

内存检查与汇编：

bash 复制代码

(gdb) x/10x &result         # 以十六进制查看 result 地址开始的10个字
(gdb) disassemble main      # 反汇编 main 函数

远程调试与嵌入式调试 ：

GDB 支持"客户端-服务器"模式。可以在资源受限的目标机（如 ARM 开发板）上运行 gdbserver，在强大的宿主机上运行 gdb 客户端进行远程调试，这是嵌入式开发的标准流程。
脚本化与自动化 ：

GDB 支持命令脚本。你可以将一系列调试命令写在一个文件里（如 debug_script.gdb），然后通过 source debug_script.gdb 来执行，或者使用 -x 参数启动。

优缺点

优点：
- 功能极其强大：底层控制能力无与伦比。
- 无处不在：几乎存在于所有 Unix-like 系统，是标准工具。
- 远程/交叉调试能力强：是嵌入式开发的基石。
- 免费、开源、可扩展。
缺点：
- 陡峭的学习曲线：纯命令行，命令繁多，对新手不友好。
- 无原生图形界面 ：虽然有 -tui 或第三方前端（如 cgdb, ddd, GDB Dashboard），但体验不及现代 IDE 集成调试器。

替代品与前端

LLDB： LLVM 项目的一部分，是 macOS 的默认调试器，命令设计更现代，兼容部分 GDB 命令。逐渐成为另一个主流选择。
IDE 集成调试器 ：如 VS Code 的 C++ 扩展 、CLion 、Eclipse CDT 等。它们本质上是 GDB/LLDB 的图形化前端，提供了更直观的点击、悬停查看等功能，底层引擎依然是 GDB 或 LLDB。

总结

GDB 是系统级编程和复杂问题调试的终极武器 。虽然初学者可能因其命令行界面而却步，但它的强大、灵活和普适性 使其成为所有严肃 C/C++ 开发者必须掌握的核心技能 。学习 GDB 不仅仅是学习一个工具，更是学习程序在计算机中如何真正运行的过程。对于调试段错误、内存泄露、多线程竞争等"硬核"问题，GDB 依然是无可替代的瑞士军刀。