GDB 调试工具

1. GDB 概述

GDB（GNU Debugger）是一个强大的调试工具，广泛用于调试C、C++、Fortran等编程语言编写的程序。GDB可以在程序运行时执行控制，帮助开发人员诊断程序中的错误。

1.1 GDB的历史和发展

GDB 是由 Free Software Foundation 开发和维护的，最早由 Richard Stallman 和 Roland H. Pesch 在 1986 年开始设计。如今，GDB已经成为Linux及其他操作系统上最广泛使用的调试工具。

1.2 GDB应用场景

• 软件开发：用于程序调试和性能优化
• 嵌入式开发：调试在嵌入式系统上运行的应用程序
• 远程调试：通过网络调试远程机器上的程序
• 多线程调试：在多线程环境下调试并发问题

2. GDB安装

2.1 使用包管理器安装

yum install gdb

2.2 源码编译安装

（TODO：添加源码编译详细步骤）

3. GDB 基本功能

3.1 启动GDB

# 启动 GDB 调试指定程序
$ gdb <your_program>  
# 启动程序执行 `run`后面的参数会像进程正常执行一样传递给进程。通常，我们会在设置好断点之后。执行此命令
(gdb) run             

3.2 调试带参数的程序

# 方法1：直接传参
(gdb) run arg1 arg2 arg3              
 # 方法2：预设参数
(gdb) set args arg1 arg2 arg3         
(gdb) run
 # 方法3：修改参数
(gdb) set args new_arg1 new_arg2      

3.3 调试运行中的进程

# 可以直接-p 指定pid
$ gdb -p pid
# 也可以启动gdb 后，attach pid
$ gdb -q
(gdb) <pid>

3.4 基本调试命令

命令	功能描述
b/break	设置断点
r/run	开始程序运行
start	在main函数开始前停止
c/continue	继续执行直到下一个断点
n/next	单步执行(不进入函数)
s/step	单步执行(进入函数)
p/print	打印变量的值
l/list	查看源代码
bt/backtrace	显示调用栈
until location	执行到指定位置
fini/finish	执行完成当前函数
q/quit	退出gdb

3.5 断点管理

通过 break 命令在特定位置设置断点（如函数或代码行）。

(gdb) break func_name                 # 设置函数断点
(gdb) break file.c:line              # 设置文件行断点
(gdb) break file:line if condition   # 条件断点
(gdb) info breakpoints               # 查看断点信息
(gdb) delete <num>                   # 删除指定断点

3.6 变量与内存操作

(gdb) print var                      # 打印变量
(gdb) info locals                   # 显示局部变量
(gdb) info args                     # 显示函数参数
(gdb) set var = value               # 修改变量值
(gdb) x/10x <addr>                  # 查看内存内容（16进制）

3.7 寄存器操作

(gdb) info registers                 # 查看所有寄存器的值
(gdb) print $eax                     # 查看特定寄存器（如 x86 架构）
(gdb) p/x $eax                       # 十六进制显示寄存器值
(gdb) set $eax = 0x10                # 修改寄存器值
# 特殊寄存器
(gdb) info registers float           # 浮点寄存器
(gdb) info registers vector          # 向量寄存器
(gdb) info registers eflags          # 标志寄存器
(gdb) x/i $pc                        # 查看栈指针指向的内存
(gdb) x/i $pc                        # 反汇编当前指令
(gdb) stepi                          # 单步执行一条汇编指令

使用 $<寄存器名> 可以访问 CPU 寄存器；$pc 表示程序计数器，$sp 表示栈指针，$fp 为帧指针。

在GDB内部，$pc 实际上是一个宏，会根据当前调试目标的架构自动映射到正确的寄存器：

• x86-64 → 映射到 $rip
• ARM → 映射到 $r15 或 $pc
• MIPS → 映射到 $pc

示例

$ # gdb -q  ./a.out 
Reading symbols from ./a.out...
(gdb) l
1       #include <signal.h>
2       #include <stdlib.h>
3       #include <stdio.h>
4
5       int main() {
6               int a;
7               a=10;
8            printf("Hello World\n");
9            printf("%d\n",a);
10          return 0;
(gdb) b 8
Breakpoint 1 at 0x401145: file main.c, line 8.
(gdb) r
Starting program: /home/a.out 
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Breakpoint 1, main () at main.c:8
8            printf("Hello World\n");
(gdb) p a
$1 = 10
(gdb) info locals
a = 10
(gdb) set var a=11
(gdb) p a
$2 = 11
(gdb) p &a
$3 = (int *) 0x7fffffffe23c
(gdb) x 0x7fffffffe23c
0x7fffffffe23c: 0x0000000b
(gdb) x/10x 0x7fffffffe23c
0x7fffffffe23c: 0x0000000b      0x00000001      0x00000000      0xf7c29590
0x7fffffffe24c: 0x00007fff      0x00000000      0x00000000      0x00401136
0x7fffffffe25c: 0x00000000      0x00000000
(gdb) n
Hello World
9            printf("%d\n",a);
(gdb) 
11
10          return 0;
(gdb) 

4. 高级调试技巧

4.1 多进程调试

# 使用 `info inferior` 命令查看当前程序中的所有进程。
(gdb) info inferior
# 使用 `inferior` 命令切换不同进程进行调试
(gdb) inferior <process_id>
# `follow-fork-mode` 参数用来设置gdb跟踪父进程还是子进程
# `set follow-fork-mode parent` 在fork之后，调试父进程，这也是gdb的默认值
(gdb) set follow-fork-mode child/parent
# gdb是否控制未调试的进程
# `set detach-on-fork on` gdb默认值，gdb不控制未调试的进
(gdb) set detach-on-fork on/off

gdb 默认只会跟踪父进程。当断点处在子进程路径时，程序可能会直接执行结束退出。

此时，可以通过设置 set follow-fork-mode child 再执行 run运行调试。

也可以 break fork 断点到fork时。

4.2 多线程调试

# 使用 `info threads` 命令查看当前程序中的所有线程。
(gdb) info threads
# 使用 `thread` 命令切换到特定线程。
(gdb) thread thread_id
(gdb) break location thread thread_id

4.3 观察点(Watchpoints)

# 标记观察断点，监控数值更改（wirte）
(gdb) watch expression or variable
# 标记观察断点，监控数值读取（read）
(gdb) rwatch expression or variable
# 标记观察断点。同时监控数据读取与更改（read and write）
(gdb) awatch expression or variable

示例

$ gdb -q a.out
Reading symbols from a.out...done.
(gdb) l
1	#include <stdio.h>
2
3	int get_sum(int n) {
4	    int sum = 0, i;
5	    for (i = 0; i < n; i++) {
6	        sum += i;
7	    }
8	    return sum;
9	}
10
(gdb) b 6
Breakpoint 1 at 0x4005ad: file main.c, line 6.
(gdb) r
Starting program: /tmp/a.out
Missing separate debuginfos, use: yum debuginfo-install glibc-2.28-164.el8.x86_64

Breakpoint 1, get_sum (n=100) at main.c:6
6	        sum += i;
(gdb) watch i==99
Hardware watchpoint 2: i==99
(gdb) clear 6
Deleted breakpoint 1
(gdb) c
Continuing.

Hardware watchpoint 2: i==99

Old value = 0
New value = 1
0x00000000004005b7 in get_sum (n=100) at main.c:5
5	    for (i = 0; i < n; i++) {
(gdb) p i
$1 = 99
(gdb) p sum
$2 = 4851

4.4 捕获点(Catchpoints)

参考链接

# 用捕捉断点监控某一事件的发生，等同于在程序中该事件发生的位置打普通断点。
(gdb) catch event

普通断点作用于程序中的某一行，当程序运行至此行时停止执行，观察断点作用于某一变量或表达式，当该变量（表达式）的值发生改变时，程序暂停。而捕捉断点的作用是，监控程序中某一事件的发生，例如程序发生某种异常时、某一动态库被加载时等等，一旦目标时间发生，则程序停止执行。

4.5 自动化调试

# 使用 `source` 命令执行 GDB 脚本，实现自动化调试。
(gdb) source <script_file>

4.6 远程调试

# GDB支持与远程系统调试，使用 `target remote` 命令连接远程程序。
(gdb) target remote <hostname>:<port>

4.7 切换栈帧

f 切换

(gdb) bt                                                                                                      
#0  add (low=1, high=10) at test1.c:5                                                                         
#1  0x00000000004005e6 in main (argc=1, argv=0x7fffffffe408) at test1.c:12                                    
(gdb) frame 1
#1  0x00000000004005e6 in main (argc=1, argv=0x7fffffffe408) at test1.c:12                                    
12          result[0] = add(1,10);
(gdb) f 1
#1  0x00000000004005e6 in main (argc=1, argv=0x7fffffffe408) at test1.c:12
12          result[0] = add(1,10);
(gdb) i locals 
result = {-134224088, 32767, 0, 0}

5. 调试信息与符号

5.1 编译时添加调试信息

# -O0禁用优化，可以帮助调试代码
gcc -O0 -g program.c -o program

5.2 分离调试信息

# 拷贝elf中的调试信息到debug文件
objcopy --only-keep-debug program program.debug
# 瘦身二进制程序
strip --strip-debug program

5.3 加载调试信息

运行时加载

(gdb) symbol-file program.debug

提前做好关联，无需运行时加载

$ objcopy --add-gnu-debuglink=program.debug program
$ objdump  -s -j .gnu_debuglink program

program:     file format elf64-x86-64

Contents of section .gnu_debuglink:
 0000 70726f67 72616d2e 64656275 67000000  program.debug...
 0010 cb07fc34      

6. 调试案例

6.1 段错误调试

(gdb) run
(gdb) bt

6.2 内存泄漏检查

（结合valgrind使用）

6.3 死锁检测

（多线程调试示例）

7. GDB 实现原理

7.1 ptrace系统调用

GDB通过ptrace系统调用实现进程控制：

long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);

7.2 断点实现原理

• 将断点处指令替换为int 3
• 保存原始指令
• 触发SIGTRAP信号

8. 参考资源

• GNU GDB官方文档
• 《The Art of Debugging with GDB, DDD, and Eclipse》
• GDB Cheat Sheet