3-6 使用集成调试器：单步执行
当你运行程序时，执行从 main 函数的顶部开始，然后按顺序逐条执行语句，直至程序结束。在程序运行的任何时刻，系统都在持续追踪大量信息：你使用的变量值、已调用的函数（以便这些函数返回时程序能知道从何处继续执行），以及程序当前的执行位置（用于确定下一步应执行哪条语句）。所有这些被追踪的信息统称为程序状态program state（或简称为状态）。
在之前的课程中，我们探讨了多种通过修改代码辅助调试的方法，包括打印诊断信息或使用日志工具。这些都是在程序运行时检查其状态的简单手段。虽然使用得当能有效解决问题，但它们仍存在缺点：需要修改代码，既耗时又可能引入新错误，还会使代码变得冗杂，降低现有代码的可读性。
我们此前展示的技术背后存在一个隐含假设：一旦代码开始运行，它将持续执行至结束（仅在接受输入时暂停），我们无法在任意时刻介入并检查程序结果。
但如果我们能打破这个假设呢？幸运的是，大多数现代集成开发环境都内置了名为调试器的工具，其设计目的正是实现这一功能。
调试器
调试器是一种计算机程序，它允许程序员控制另一个程序的执行方式，并在该程序运行时检查其状态。例如，程序员可以使用调试器逐行执行程序，同时检查变量的值。通过将变量的实际值与预期值进行比较，或观察代码中的执行路径，调试器在追踪语义（逻辑）错误方面能提供巨大帮助。
调试器的核心能力体现在两方面：精确控制程序执行的能力，以及查看（必要时修改）程序运行状态的能力。
早期调试器（如gdb）是独立运行的命令行程序，程序员需输入晦涩的命令才能操作。后期调试器（如Borland早期Turbo Debugger）虽仍为独立程序，但提供了“图形化”前端界面以提升易用性。如今多数现代集成开发环境（IDE）都内置了集成调试器——即与代码编辑器共享同一界面的调试器，使开发者能在编写代码的同一环境中进行调试（无需切换程序）。
尽管集成调试器便捷性高且适合初学者，命令行调试器在不支持图形界面的环境（如嵌入式系统）中仍被广泛使用且支持完善。
几乎所有现代调试器都包含相同的基础功能集，但这些功能的菜单布局缺乏统一性，键盘快捷键的规范性则更为欠缺。虽然我们的示例将采用微软Visual Studio的截图（同时也会说明如何在Code::Blocks中实现所有功能），但无论您使用何种IDE，都应能轻松掌握我们讨论的各项功能的调用方式。
提示
调试器键盘快捷键仅在IDE/集成调试器为活动窗口时生效。
本章剩余部分将用于学习如何使用调试器。
提示
切勿忽视调试器的学习。随着程序日益复杂，你花在掌握集成调试器高效使用技巧上的时间，与它帮你节省的排查和修复问题的时间相比，简直微不足道。
警告
在继续本课（以及后续与调试器相关的课程）之前，请确保您的项目使用调试构型进行编译（更多信息请参阅0.9节——配置编译器：构型设置）。
若您使用发布配置编译项目，调试器功能可能无法正常工作（例如尝试步入程序时，程序会直接运行而非进入调试状态）。
对于 Code::Blocks 用户
若您使用 Code::Blocks，调试器可能已正确配置，也可能尚未设置妥当。让我们进行检查。
首先，进入菜单栏的「设置」>「调试器...」。接着，在左侧展开 GDB/CDB 调试器树，选择「默认」。此时应会弹出类似下图所示的对话框：
如果在“可执行文件路径”应显示的位置看到一条大红色横条，则需要定位调试器。为此，请点击可执行文件路径字段右侧的“…”按钮。接下来在系统中找到“gdb32.exe”文件——我的文件位于C:\Program Files (x86)\CodeBlocks\MinGW\bin\gdb32.exe。然后点击确定。
对于 Code::Blocks 用户
有报告指出，Code::Blocks 内置调试器（GDB）在识别包含空格或非英文字符的文件路径时可能出现问题。若您在学习本教程过程中发现调试器运行异常，这可能是导致故障的原因。
对于 VS Code 用户：
要设置调试环境，请按 Ctrl+Shift+P 选择“C/C++: Add Debug Configuration”，接着选择“C/C++: g++ build and debug active file”。这将创建并打开 launch.json 配置文件。将“stopAtEntry”设置为 true：
“stopAtEntry”: true,
随后打开 main.cpp 文件，按 F5 键或按 Ctrl+Shift+P 选择“调试：开始调试并在入口处停止”即可启动调试。
单步执行
我们将从探索调试器开始，首先考察一些能够控制程序执行方式的调试工具。
单步执行Stepping是一组相关调试器功能的统称，它允许我们逐条执行（逐步遍历）代码语句。
我们将依次介绍若干相关的逐步执行命令。
步入(进入函数)
步入step into命令将执行程序正常执行路径中的下一条语句，然后暂停程序执行，以便我们使用调试器检查程序状态。如果正在执行的语句包含函数调用，步入执行将使程序跳转到被调用函数的顶部，并在该处暂停。
让我们看一个非常简单的程序：
#include <iostream>
void printValue(int value)
{
std::cout << value << '\n';
}
int main()
{
printValue(5);
return 0;
}
让我们使用步入调试命令来调试这个程序。
首先定位程序，然后执行一次单步调试命令。
对于 Visual Studio 用户
在 Visual Studio 中，可通过“调试”菜单 > “步入”访问步入命令，或按 F11 快捷键调用。
对于 Code::Blocks 用户
在 Code::Blocks 中，可通过“调试”菜单 > “步入”访问步入命令，或按 Shift-F7 快捷键组合调用。
对于 VS Code 用户
在 VS Code 中，可通过“运行”菜单 > “步入”访问步入命令。
其他编译器/IDE用户
若使用其他IDE，通常可在“调试”或“运行”菜单下找到步入命令。
我:lldb(gdb)的见vim应用：构建运行C++/C
当程序未运行时执行首次调试命令，您可能会观察到以下现象：
- 程序将根据需要重新编译。
- 程序开始运行。由于我们的应用程序是控制台程序，此时应打开控制台输出窗口。由于尚未输出任何内容，该窗口目前为空白状态。
- 您的集成开发环境可能会自动打开若干诊断窗口，例如“诊断工具”、“调用堆栈”和“监视器”等。这些窗口的功能将在后续章节详述——当前可暂时忽略。
由于执行了单步调试，您现在应在主函数（第9行）左大括号左侧看到某种标记。在Visual Studio中，该标记为黄色箭头（Code::Blocks使用黄色三角形）。若使用其他IDE，应能看到功能等效的标记。
此箭头标记表示被指向的代码行将被执行。在此情况下，调试器告知我们下一条待执行代码是函数 main 的左大括号（第 9 行）。
选择步入（使用上述对应您 IDE 的命令）以执行左大括号，箭头将移动至下一条语句（第 10 行）。
这意味着接下来将执行的代码行是调用函数 printValue。
再次选择步入。由于该语句包含对 printValue 的函数调用，我们将步入进入该函数，此时箭头将移动至 printValue 函数主体的开头（第 4 行）。
选择再次步入进入以执行函数printValue的左大括号，这将使箭头前进至第5行。
选择再次步入，这将执行语句 std::cout << value << ‘\n’ 并将指针移至第 6 行。
警告
用于输出的<<运算符版本是以函数形式实现的。因此，您的IDE可能会转而进入<<运算符函数的实现过程。
若发生此情况，您将看到IDE打开新代码文件，且箭头标记会移至名为operator<<的函数顶部（该函数属于标准库）。请关闭新打开的代码文件，随后查找并执行“步出”调试命令（操作指南详见下文“步出”章节）。
现在由于 std::cout << value << ‘\n’ 已执行，我们应该在控制台窗口中看到数值 5 出现。
提示
在之前的课程中，我们提到 std::cout 是缓冲的，这意味着当你要求 std::cout 打印一个值时，它可能不会立即显示，而是存在延迟。因此，此时你可能不会看到数值 5 出现。为确保 std::cout 的所有输出都能立即显示，你可以暂时在 main() 函数开头添加以下语句：std::cout << std::unitbuf; // enable automatic flushing for std::cout (for debugging)出于性能考虑，调试完成后应删除或注释掉此语句。
若不想反复添加/删除/注释/取消注释上述语句，可将其包裹在条件编译预处理指令中（详见第2.10节——预处理器介绍）：
#ifdef DEBUG std::cout << std::unitbuf; // enable automatic flushing for std::cout (for debugging) #endif您需要确保DEBUG预处理器宏已被定义，要么在此语句上方某处定义，要么作为编译器设置的一部分进行定义。
选择再次步入以执行函数printValue的闭合大括号。此时，printValue已完成执行，控制权返回给main函数。
你会注意到箭头再次指向printValue！
虽然您可能认为调试器打算再次调用 printValue，但实际上调试器只是告知您它正在从函数调用中返回。
选择再执行三次。此时我们已执行完程序中的所有代码行，因此调试结束。部分调试器会在此时自动终止调试会话，而其他调试器则可能不会。若您的调试器未自动终止，需在菜单中查找“停止调试”命令（在Visual Studio中位于调试 > 停止调试）。
请注意，在调试过程的任何阶段均可使用“停止调试”命令终止调试会话。
恭喜！您已成功逐步执行程序并观察到每行代码的运行过程！
提示
在后续课程中，我们将探索其他调试器命令，其中部分命令可能需要调试器已启动才能使用。若所需调试命令不可用，请逐步进入代码以启动调试器，然后重试。
步过(跳过函数)
类似于步入，步过step over命令将执行程序正常执行路径中的下一条语句。然而，步入会进入函数调用并逐行执行，而步过则会不间断地执行整个函数，并在函数执行完毕后将控制权交还给您。
对于 Visual Studio 用户
在 Visual Studio 中，可通过“调试”菜单 > “步过”访问步过命令，或按 F10 快捷键调用。
对于 Code::Blocks 用户
在 Code::Blocks 中，“步过”命令称为“下一行”，可通过调试菜单 > 下一行访问，或按 F7 快捷键调用。
对于 VS Code 用户
在 VS Code 中，“步过”命令可通过运行 > 步过访问，或按 F10 快捷键调用。
让我们看一个示例，其中我们跳过对 printValue 函数的调用：
#include <iostream>
void printValue(int value)
{
std::cout << value << '\n';
}
int main()
{
printValue(5);
return 0;
}
首先，在程序上使用步进功能，直到执行标记位于第10行：
现在选择“步过”选项。调试器将执行该函数（在控制台输出窗口打印数值5），然后在下一条语句（第12行）处将控制权交还给您。
当您确定函数已正常工作或暂时无意调试时，“步过”命令可便捷地跳过函数执行。
步出(跳出函数)
与其他两个步进命令不同，步出Step out命令不仅执行下一行代码，还会执行当前正在执行的函数中所有剩余代码，并在函数返回后将控制权交还给您。
对于 Visual Studio 用户
在 Visual Studio 中，可通过“调试”菜单 > “步出”访问步出命令，或按下 Shift-F11 快捷键组合。
对于 Code::Blocks 用户
在 Code::Blocks 中，可通过“调试”菜单 > “步出”访问该命令，或按下 ctrl-F7 快捷键组合。
对于 VS Code 用户
在 VS Code 中，可通过“运行”菜单 > “步出”访问该命令，或按下 shift+F11 快捷键组合。
让我们使用与上述相同的程序来看看一个示例：
#include <iostream>
void printValue(int value)
{
std::cout << value << '\n';
}
int main()
{
printValue(5);
return 0;
}
逐步进入程序，直到进入函数 printValue 内部，执行标记位于第 4 行。
然后选择逐步执行步出。你会注意到输出窗口中出现数值5，函数终止后（第10行），调试器将控制权交还给你。
当你意外进入一个不想调试的函数时，这条命令最为实用。
一步之遥
在程序调试过程中，通常只能向前逐步推进。很容易不小心跳过（越过）想要检查的位置。
若误越目标位置，通常的做法是停止调试并重新开始，这次需格外小心避免再次错过目标点。
步退
某些调试器（如Visual Studio企业版和rr）引入了一种通常称为步退或反向调试的步进功能。步退操作旨在回溯上一步，使程序恢复至先前状态。当执行过头或需要重新检查刚执行的语句时，此功能尤为实用。
实现步退功能需要调试器具备高度复杂的机制（因其需为每个步骤维护独立的程序状态）。由于技术难度，该功能尚未标准化，不同调试器实现各异。截至本文撰写时（2019年1月），Visual Studio社区版及最新版Code::Blocks均未支持此功能。期待未来该功能能逐步普及至这些产品，实现更广泛的应用。
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