GDB调试方法分析

GDB调试信息分享

在一定程度上学习了C源码之后，决定提高对各类开发工具的学习。准备学习一下GDB，Makefile，Cmake和git等工具。

目录

• 1. GDB简介
• 2. 安装配置
• 3. 基础命令
• 4. 断点操作
• 5. 检查程序状态
• 6. 控制程序执行
• 7. 监视变量
• 8. 调试多线程程序
• 9. 调试核心转储文件
• 10. 高级技巧
• 11. 常见错误与调试案例
• 12. 实用配置与插件
• 13. 参考资料

1. GDB简介

GDB (GNU Debugger) 是GNU软件系统中的强大调试工具，它可以让我们在程序运行时观察程序的内部状态，主要用于调试用C、C++等编译型语言编写的程序。GDB的主要功能包括：

• 启动程序，并指定可能影响其行为的任何内容
• 使程序在指定条件下停止
• 程序停止时检查发生了什么
• 修改程序中的内容，以便纠正错误的影响

1.1 为什么选择GDB？

• 开源免费：作为GNU项目的一部分，GDB是完全开源的
• 功能强大：从简单到复杂的调试场景都能胜任
• 跨平台：支持多种操作系统和处理器架构
• 社区支持：有大量的文档、教程和用户社区
• 广泛集成：很多IDE都集成了GDB作为其调试后端

2. 安装配置

2.1 Linux系统

在大多数Linux发行版中，可以通过包管理器安装GDB：

# Debian/Ubuntu系统
sudo apt-get update
sudo apt-get install gdb

# Red Hat/CentOS系统
sudo yum install gdb

# Arch Linux
sudo pacman -S gdb

2.2 macOS系统

在macOS上，可以通过Homebrew安装：

brew install gdb

注意：macOS有安全限制，需要对GDB进行代码签名才能正常调试程序。详细步骤如下：

1. 创建自签名证书
2. 使用证书对GDB进行签名
3. 配置系统信任该证书

具体命令请参考macOS下配置GDB部分。

2.3 Windows系统

在Windows上，可以通过以下方式获取GDB：

1. 安装MinGW或Cygwin，它们包含GDB
2. 使用MSYS2环境
3. 通过Visual Studio的WSL扩展使用Linux版GDB

2.4 验证安装

安装完成后，打开终端输入：

gdb --version

如果显示版本信息，则表示安装成功。

3. 基础命令

3.1 启动GDB

# 调试可执行文件
gdb program

# 调试正在运行的进程
gdb -p PID

# 调试core dump文件
gdb program core

# 启动并传递参数
gdb --args program arg1 arg2

3.2 基本GDB命令

3.3 GDB交互模式

GDB提供了一个交互式命令行界面。启动GDB后，你会看到(gdb)提示符，表示GDB已准备好接收命令。

$ gdb ./myprogram
GNU gdb (Ubuntu 9.2-0ubuntu1~20.04.1) 9.2
...
(gdb) 

在这个提示符下，你可以输入各种命令来控制程序的执行和检查程序状态。

4. 断点操作

断点是调试的核心功能，它让程序在指定位置暂停执行，以便你检查程序状态。

4.1 设置断点

# 在指定行设置断点
(gdb) break filename:linenum
(gdb) b main.c:15

# 在函数入口设置断点
(gdb) break function
(gdb) b main

# 按条件设置断点
(gdb) break filename:linenum if condition
(gdb) b main.c:15 if i==100

4.2 管理断点

# 列出所有断点
(gdb) info breakpoints
(gdb) i b

# 删除断点
(gdb) delete breakpoint_num
(gdb) d 1

# 禁用/启用断点
(gdb) disable breakpoint_num
(gdb) enable breakpoint_num

# 设置临时断点（只触发一次）
(gdb) tbreak location

4.3 高级断点

# 在满足条件时中断程序
(gdb) watch expression
(gdb) watch x>0

# 读取变量时中断
(gdb) rwatch variable

# 修改变量时中断
(gdb) awatch variable

# 捕获异常
(gdb) catch throw

5. 检查程序状态

当程序在断点处停止时，可以检查其状态：

5.1 查看源代码

# 显示当前位置周围的代码
(gdb) list
(gdb) l

# 显示指定函数的代码
(gdb) list function
(gdb) l main

# 显示指定行周围的代码
(gdb) list linenum
(gdb) l 10

5.2 检查变量

# 打印变量值
(gdb) print variable
(gdb) p i

# 打印表达式
(gdb) print expression
(gdb) p i+j*2

# 打印数组
(gdb) print array[index]
(gdb) p array[5]
(gdb) p *array@len

5.3 检查内存

# 检查指定地址的内存内容
(gdb) x/nfu address
(gdb) x/10xw ptr  # 以十六进制显示10个字长

# 参数说明：
# n - 内存单元的数量
# f - 显示格式（x-十六进制，d-十进制，c-字符等）
# u - 单元大小（b-字节，h-半字，w-字，g-双字）

5.4 检查调用栈

# 显示调用栈
(gdb) backtrace
(gdb) bt

# 查看详细栈帧
(gdb) info frame
(gdb) i f

# 切换栈帧
(gdb) frame frame_num
(gdb) f 2

6. 控制程序执行

6.1 启动与停止

# 开始运行程序
(gdb) run [args]
(gdb) r

# 继续执行到下一个断点
(gdb) continue
(gdb) c

# 中止程序
(gdb) kill

6.2 单步执行

# 执行一行源代码，不进入函数
(gdb) next
(gdb) n

# 执行一行源代码，进入函数
(gdb) step
(gdb) s

# 执行到当前函数返回
(gdb) finish
(gdb) fin

# 继续执行指定行数
(gdb) advance location

6.3 跳转执行

# 跳过一段代码
(gdb) jump linenum
(gdb) j 25

# 执行到指定位置
(gdb) until location
(gdb) u 50

7. 监视变量

7.1 显示命令

# 设置自动显示
(gdb) display expression
(gdb) display i

# 查看display设置
(gdb) info display

# 取消自动显示
(gdb) undisplay display_num
(gdb) delete display display_num

7.2 检查数据结构

# 打印结构体
(gdb) print struct_var
(gdb) p *struct_ptr

# 打印类的成员
(gdb) print object.member
(gdb) p this->member

# 设置打印选项
(gdb) set print pretty on  # 美化打印结构体
(gdb) set print array on   # 美化打印数组
(gdb) set print object on  # 显示完整对象

8. 调试多线程程序

8.1 查看线程

# 显示所有线程
(gdb) info threads

# 切换到指定线程
(gdb) thread thread_num

8.2 控制线程

# 仅在当前线程执行命令
(gdb) set non-stop on

# 设置所有线程的断点
(gdb) break location thread all

# 让一个特定线程在断点处停止
(gdb) break location thread thread_num

8.3 多线程调试策略

# 在一个线程停止时，所有线程都停止
(gdb) set schedule-multiple off

# 定位线程间竞争
(gdb) set scheduler-locking on  # 只运行当前线程

9. 调试核心转储文件

当程序崩溃时，系统可能会生成核心转储文件（core dump），包含程序崩溃时的状态。

9.1 生成核心转储文件

首先确保系统允许生成核心转储文件：

# 允许生成无限大小的核心转储文件
ulimit -c unlimited

9.2 调试核心转储文件

# 调试核心转储文件
gdb program core

在GDB中，可以检查崩溃时的状态：

(gdb) bt  # 查看崩溃时的调用栈
(gdb) frame 0  # 切换到崩溃位置
(gdb) print variables  # 检查相关变量

10. 高级技巧

10.1 GDB脚本

可以创建GDB命令脚本文件：

# mycommands.gdb
break main
run
next 5
print i
continue

然后在GDB中执行：

(gdb) source mycommands.gdb

10.2 自定义命令

# 定义自定义命令
(gdb) define mycommand
Type commands for definition of "mycommand".
End with a line saying just "end".
> print i
> print j
> print i+j
> end

# 使用自定义命令
(gdb) mycommand

10.3 条件断点与日志

# 条件断点
(gdb) break location if condition

# 断点命令列表
(gdb) break location
(gdb) commands
> silent
> print variable
> continue
> end

10.4 修改程序状态

# 修改变量值
(gdb) set variable = value
(gdb) set i = 100

# 调用函数
(gdb) call function(args)
(gdb) call printf("i = %d\n", i)

# 执行表达式
(gdb) print expression

11. 常见错误与调试案例

11.1 段错误 (Segmentation Fault)

段错误是最常见的错误之一，通常由以下原因导致：

• 访问未初始化或已释放的指针
• 数组越界访问
• 栈溢出

调试步骤：

1. 运行程序直到崩溃
2. 使用backtrace查看调用栈
3. 检查指针变量

(gdb) run
Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
(gdb) bt
(gdb) frame 0
(gdb) print pointer
(gdb) x/10xw pointer

11.2 内存泄漏

使用Valgrind等工具配合GDB:

valgrind --leak-check=full ./program

然后在报告的泄漏位置设置断点进行调试。

11.3 死锁

多线程死锁调试：

(gdb) info threads
(gdb) thread apply all bt

检查所有线程的调用栈，寻找互相等待的资源。

11.4 调试实际案例

案例1: 空指针解引用

#include <stdio.h>

void process(int *p) {
    printf("%d\n", *p);  // 可能的空指针解引用
}

int main() {
    int *ptr = NULL;
    process(ptr);
    return 0;
}

调试流程：

(gdb) break process
(gdb) run
(gdb) next
(gdb) print p
$1 = (int *) 0x0

案例2: 数组越界

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int i = 0; i <= 5; i++) {  // 错误：应该是i < 5
        arr[i] *= 2;
    }
    return 0;
}

调试流程：

(gdb) break main
(gdb) run
(gdb) watch arr[5]  // 监视越界访问
(gdb) continue

12. 实用配置与插件

12.1 .gdbinit文件

在主目录创建.gdbinit文件可以设置GDB的启动配置：

# ~/.gdbinit
set print pretty on
set print array on
set print array-indexes on
set pagination off

# 自定义提示符
set prompt \033[01;31mgdb$ \033[0m

# 自定义命令
define ll
    info locals
end

12.2 GDB前端工具

• GDB Dashboard: 基于TUI的GDB增强界面
• GDB-Frontend: 基于浏览器的GDB前端
• DDD (Data Display Debugger): 图形化GDB前端
• VSCode调试器: 通过插件支持GDB

12.3 GDB插件

• GEF (GDB Enhanced Features): 为漏洞研究者优化
• PEDA (Python Exploit Development Assistance): 增强逆向工程功能
• pwndbg: 专为CTF设计的GDB扩展

12.4 远程调试配置

服务器端：

gdbserver :1234 ./program

客户端：

(gdb) target remote hostname:1234

13. 参考资料

1. GDB官方文档
2. GDB快速参考
3. GDB调试实战指南
4. C/C++高级调试技术
5. GDB在线调试教程

附录A: GDB命令速查表