用 gdb 学 C 语言

我写作本文的目的是，是向大家展示 gdb 这一学习 C 语言的强大工具。

我将介绍一些我最常用的 gdb 命令，同时还将会演示如何用 gdb 来理解 C 语言中最令人头疼的内容：指针和数组的区别。

gdb 简介

我们用这个 minimal.c 的小程序来开始：

int main(){   int i = 1337;   return 0;}

我们的程序简单到连一个 printf 都没使用。

来吧，拿出勇气来，用 gdb 来探索 C 语言的新世界吧！

用 -g 选项编译，以生成带调试信息的可执行文件，导入 gdb :

$ gcc -g minimal.c -o minimal$ gdb minimal

现在，如果你看到的是一堆 gdb 提示信息，说明你已经进入 gdb 了。接下来：

(gdb) print 1 + 2$1 = 3

Amazing！print 是 gdb 用于处理 C 表达式的内建命令。如果你对 gdb 的某个命令不清楚， 试试help 命令查看 gdb 的帮助。接下来，看一个更有趣的例子：

(gdb) print (int) 2147483648$2 = -2147483648

至于为什么 2147483648 = -2147483648 ，我且不做解释。这里要表达的意思是，在 Ｃ语言中，即使是算数，也充满着各种陷阱。还好 gdb 能看透这种伎俩。

现在我们在 main 函数设置断点并运行：

(gdb) break main(gdb) run

好了，现在程序暂停在第３行，变量 i 初始化之前。趁 i 还未初始化，我们用 print 命令来显示它的值：

(gdb) print i$3 = 32767

在 C 语言中，本地变量在未初始化前，它的值是不确定的，所以在你的电脑上 gdb 显示的结果可能跟我的不一样！我们用 next 命令执行当前这行代码：

(gdb) next(gdb) print i$4 = 1337

内存查看命令 x

C 语言为变量分配连续的内存空间。一个变量的内存空间由两方面决定：

1.内存块的起始字节地址。2.内存块的 byte 大小。变量内存大小是由变量类型决定的。

Ｃ语言鲜明的特征之一便是，可以直接访问内存空间。取地址操作符 & 用于获取变量的地址，而 sizeof 操作符用于计算变量占用的内存空间大小。

尝试在 gdb 运行下面的命令:

(gdb) print &i$5 = (int *) 0x7fff5fbff584(gdb) print sizeof(i)$6 = 4

输出结果表明，变量 i 的内存起始地址为 0x7fff5fbff584 ，并且占用４ byte 空间。我在上面曾说过，变量占用内存的大小由它的类型决定，实际上 sizeof 运算符也可以直接对变量类型进行计算：

(gdb) print sizeof(int)$7 = 4(gdb) print sizeof(double)$8 = 8

这说明，在我的机器上， int 类型变量占４字节，而 double 类型变量占８字节。

x 命令，是 gdb 直接查看内存的强大工具。 x 命令查看指定位置起始的内存段，并有一系列格式化命令精确控制查看的字节数以及显示方式。

如有疑问，请在 gdb 中查看帮助 help x 。

由于 & 操作符用于计算变量地址，因此可以把 &i 的结果作为参数传入 x ，这样，我们便可以窥探到变量 i 在内存的原始字节形式啦：

(gdb) x/4xb &i0x7fff5fbff584: 0x39    0x05    0x00    0x00

4xb 意思是，我要查看４个数值，格式化为 he x (十六进制), 按1 byte一次显示。我只选择显示４字节，是因为变量 i 大小为4个字节。上面的输出显示， i 是逐字节存放在内存中的。

在直接查看内存字节时，这里有个细节需要记住：在 Intel 的机器上，字节内容是按照"little-edian" 小端的方式存放的。与人的直觉相反，小端方式是数值的最低有效位放在内存的最前面。

为了更加直观，举个例子来说明：

(gdb) set var i = 0x12345678(gdb) x/4xb &i0x7fff5fbff584: 0x78 0x56 0x34 0x12

类型查看命令 ptype

ptype 是我最常用的命令，它可以返回 C 表达式的类型。

(gdb) ptype itype = int(gdb) ptype &itype = int *(gdb) ptype maintype = int (void)

Ｃ 语言中，有非常复杂的数据类型，不过，利用 ptype 命令，便可以以交互的方式来查看，实在是方便的很～

指针与数组

数组是 C 语言中相当灵活的内容。我写的这部分就是想通过 gdb 剖析这个简单的程序，进而弄懂数组的含义。名为 arrays.c 的程序：

int main(){    int a[] = {1,2,3};    return 0;}

用 -g 选项编译，装入 gdb 中运行， next 直到运行完数组初始化：

$ gcc -g arrays.c -o arrays$ gdb arrays(gdb) break main(gdb) run(gdb) next

看下经过初始化化后 a 中的内容：

(gdb) print a$1 = {1, 2, 3}(gdb) ptype atype = int [3]

好了，程序正确地运行了。接下来我们首先要做的是用 x 命令看看 a 在内存中到底是怎样一种存在：

(gdb) x/12xb &a0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00  0x02  0x00  0x00  0x000x7fff5fbff574: 0x03  0x00  0x00  0x00

上面的结果显示，a 这块内存起始地址为 0x7fff5fbff56c ，第一个４ byte 存储在 a[0] ，下一个４ byte 存放在 a[1] ，最后４ byte 放在 a[2] 。当然，也可以通过 sizeof 得知 a 所占内存大小：

(gdb) print sizeof(a)$2 = 12

从这点上来看，数组确实有其作为数组的特征：有他们自己像数组的类型以及存放数组于连续的内存空间。然而，从特定的角度看，数组的行为又与指针极为相似：

= preserve do  :escaped    (gdb) print a + 1    $3 = (int *) 0x7fff5fbff570

这显示，a + 1 是一个指向 0x7fff5fbff570 的 int 指针。到这里，本能地用 x 命令看下这地址的内容：

= preserve do  :escaped    (gdb) x/4xb a + 1    0x7fff5fbff570: 0x02  0x00  0x00  0x00

我们注意到 0x7fff5fbff570 比 a 的起始地址 0x7fff5fbff56c 大４个字节。因为给定 int 类型占４byte ，所以 a + 1 应该是指向 a[1] 。

事实上，数组的下标运算是指针的语法糖：a[i] 等同于 *(a + i) 。看下面的尝试：

= preserve do  :escaped    (gdb) print a[0]    $4 = 1    (gdb) print *(a + 0)    $5 = 1    (gdb) print a[1]    $6 = 2    (gdb) print *(a + 1)    $7 = 2    (gdb) print a[2]    $8 = 3    (gdb) print *(a + 2)    $9 = 3

由上面种种可知，在一些环境下 a 类似于数组，而在另外一些条件下它又像指向数组第一个元素的指针。这究竟是怎么一回事呢？

这个问题的答案是：当数组名用在 C 表达式中时，它便“退化"为指向数组第一个元素的地址。不过，对于这条规则，有２个例外：

•数组名作为 sizeof 参数时；•数组名用于 & 操作符时。

这就让人疑惑了，难道同为指针的 a 和 &a 竟是不相同的吗？

就数值而言，它们都表示同一地址：

= preserve do  :escaped    (gdb) x/4xb a    0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00    (gdb) x/4xb &a    0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00

然而，它们本身的类型却是不相同的。

此前，我们已经知道 a 是指向数组第一元素的指针，所以是 int * 类型。

至于 &a 的话，我们直接用 gdb 查看一下：

= preserve do  :escaped    (gdb) ptype &a    type = int (*)[3]

很明显， &a 是指向带有３个整数的数组的指针，亦即 int [3] ，显然与 a 不一样嘛。在下面的指针运算中，你可以更加明显的看到 a 与 &a 的差异：

= preserve do  :escaped    (gdb) print a + 1    $10 = (int *) 0x7fff5fbff570    (gdb) print &a + 1    $11 = (int (*)[3]) 0x7fff5fbff578

a + 1 只是在 a 的地址上加４，而 &a + 1 却增加了12！指针 a 实际上是与 &a[0] 等同的。

总结

希望我上述的内容已经让你心动：gdb 的确是一个深入探索 C 语言不可多得的学习环境！　

心动不如行动，赶紧用起来吧，在实践中不断提高！

参考

1.GNU Debugger - Wikipedia^[1] ;2.Learning C with gdb^[2] ;3.Expert C Programming: Deep C Secrets^[3] .

References

[1] GNU Debugger - Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/GNU_Debugger
[2] Learning C with gdb: https://www.recurse.com/blog/5-learning-c-with-gdb
[3] Expert C Programming: Deep C Secrets: http://www.electroons.com/8051/ebooks/expert%20C%20programming.pdf