對(duì)于那些具有高級(jí)編程語(yǔ)言諸如： Ruby、Scheme、Haskell 等背景的人來說，學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言是具有挑戰(zhàn)性的。除了糾結(jié)于 C  語(yǔ)言中像手動(dòng)內(nèi)存管理和指針等底層特性外，你必須在沒有 REPL ( Read-Eval-Print Loop ) 的條件下完成工作。一旦你已經(jīng)習(xí)慣于在 REPL 環(huán)境下進(jìn)行探索性的編程，必須進(jìn)行“編寫-編譯-運(yùn)行”這樣循環(huán)實(shí)在有點(diǎn)令人生厭。

最近我發(fā)現(xiàn)其實(shí)可以用 GDB 來作為 C 語(yǔ)言的偽 REPL。我一直嘗試使用 GDB 作為學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言的工具，而不僅僅是用來調(diào)試 C 程序，事實(shí)上這非常有趣。

這篇文章我的目的就是向你展示 GDB 是一個(gè)非常好的學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言工具。下面我將會(huì)向你介紹一些我最喜歡的 GDB 命令，然后我會(huì)向你闡述怎樣使用 GDB 來理解 C 語(yǔ)言中一個(gè)出了名的復(fù)雜問題：數(shù)組和指針的區(qū)別。

GDB 簡(jiǎn)介

從創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的 C 程序開始，minimal.c:

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

注意這個(gè)程序并沒有做任何事情，也沒有一條輸出指令。擁抱使用 GDB 學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言的美麗新世界吧！

使用 -g 參數(shù)進(jìn)行編譯，這樣會(huì)生成一些有助于 debug，gdb 可以利用的信息，編譯后用 GDB 運(yùn)行起來：

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

你現(xiàn)在應(yīng)該能看到明顯的 GDB 提示行。我之前告訴你這是一個(gè) REPL，下面我們就來試試：

(gdb) print 1 + 2
$1 = 3

多么神奇！ print 是 GDB 的內(nèi)置命令，他能夠打印出一個(gè) C 語(yǔ)言命令的返回值。如果你不確定一個(gè) GDB 命令是做什么，嘗試在 GDB 提示下運(yùn)行命令 help。

然后是一個(gè)更有趣的例子：

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

這里我先忽略為什么 2147483648 == -2147483648；我想要說明的是即使是算術(shù)運(yùn)算在 C 語(yǔ)言中也是有很多坑的，GDB 能夠理解運(yùn)行 C 語(yǔ)言中的算術(shù)運(yùn)算。

現(xiàn)在讓我們?cè)谥骱瘮?shù)中設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)然后運(yùn)行程序：

(gdb) break main
(gdb) run

現(xiàn)在程序在第 3 行處暫停，正好在 i 進(jìn)行初始化之前。有趣的是，盡管 i 還沒有被初始化，我們依然能夠使用 print 命令看到它的值。

(gdb) print i
$3 = 32767

在C語(yǔ)言中，一個(gè)未被初始化的局部變量的值是沒有定義的，所以你用 GDB 打印出的值可能與這里的不一樣。

我們可以用 next 命令來執(zhí)行當(dāng)前斷點(diǎn)這一行：

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

使用x 命令檢查內(nèi)存

在C語(yǔ)言中變量用來標(biāo)示一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)間。一個(gè)變量的內(nèi)存區(qū)間由兩個(gè)數(shù)字決定：

這塊內(nèi)存第一個(gè)字節(jié)數(shù)的數(shù)值地址

內(nèi)存的大小，單位是字節(jié)。變量所占內(nèi)容的大小取決于變量的類型。

C 語(yǔ)言中一個(gè)獨(dú)特的特性是你能夠直接訪問變量所占的內(nèi)存。操作符 & 可以計(jì)算一個(gè)變量的地址，操作符 sizeof 計(jì)算變量所占內(nèi)存的大小。

你可以在 GDB 中測(cè)試以上兩個(gè)概念：

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

字面上看，i 所占內(nèi)存起始于地址 0x7fff5fbff5b4，占內(nèi)存 4 個(gè)字節(jié)。

我前面提到的變量在內(nèi)存中的大小取決于它的類型，所以操作符 sizeof 能夠直接作用于類型：

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

以上顯示意味著，至少在我的計(jì)算機(jī)上 int 變量占 4 個(gè)字節(jié)空間，double 變量占 8 個(gè)字節(jié)。

GDB 帶來了一個(gè)功能強(qiáng)大的工具，能夠直接檢測(cè)內(nèi)存：x 命令。x 命令從一個(gè)特定的地址開始檢測(cè)內(nèi)存。結(jié)合一些結(jié)構(gòu)化的命令和這些已給的命令能精確控制你想檢測(cè)多少字節(jié)，你想怎樣打印它們。當(dāng)你有疑問時(shí)，嘗試在 GDB 提示下運(yùn)行 help x。

& 操作符計(jì)算變量的地址，這意味著我們能將 &i 返回給 x，從而看到 i 值背后原始的字節(jié)。

(gdb) x/4xb &i
0x7fff5fbff584: 0x39  0x05  0x00  0x00

標(biāo)識(shí)參數(shù)表示我想要檢查 4 個(gè)值，格式是十六進(jìn)制，一次顯示一個(gè)字節(jié)。我選擇檢查 4 個(gè)字節(jié)，是因?yàn)?i 在內(nèi)存中的大小是 4 字節(jié)；逐字節(jié)打印出 i 在內(nèi)存中的表示。

在 Intel 機(jī)器上有一個(gè)坑應(yīng)當(dāng)記得，逐字節(jié)檢測(cè)時(shí)字節(jié)數(shù)是以“小端”順序保存：不像人類一般使用的標(biāo)記方法，一個(gè)數(shù)字的低位在內(nèi)存中排在前面（個(gè)位數(shù)在十位數(shù)之前）。

為了讓這個(gè)問題更加明顯，我們可以為 i 賦一個(gè)特別的值，然后重新檢測(cè)所占內(nèi)存。

(gdb) set var i = 0x12345678
(gdb) x/4xb &i
0x7fff5fbff584: 0x78 0x56 0x34 0x12

使用 ptype 檢查類型

ptype 命令可能是我最喜愛的命令。它告訴你一個(gè) C 語(yǔ)言表達(dá)式的類型。

(gdb) ptype i
type = int
(gdb) ptype &i
type = int *
(gdb) ptype main
type = int (void)

C 語(yǔ)言中的類型可以變得很復(fù)雜，但是好在 ptype 允許你交互式地查看他們。

指針和數(shù)組

數(shù)組在C語(yǔ)言中是非常難以捉摸的概念。這節(jié)的計(jì)劃是寫出一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，然后在 GDB 中運(yùn)行，直至它的意義變得清晰易懂。

編寫如下的程序，array.c:

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

使用 -g 作為命令行參數(shù)進(jìn)行編譯，在 GDB 中運(yùn)行，然后輸入 next，執(zhí)行初始化那一行

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

在這里，你應(yīng)該能夠打印出 a 的內(nèi)容并檢查它的類型：

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

現(xiàn)在我們的程序已經(jīng)在 GDB 中運(yùn)行起來了，我們應(yīng)該做的第一件事是使用 x 看看 a 在內(nèi)存中是什么樣子。

(gdb) x/12xb &a
0x7fff5fbff56c: 0x01 0x00 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00
0x7fff5fbff574: 0x03 0x00 0x00 0x00

以上意思是 a 所占內(nèi)存開始于地址 0x7fff5fbff5dc。起始的四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ) a[0], 隨后的四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ) a[1], 最后的四個(gè)字節(jié)存儲(chǔ) a[2]。事實(shí)上你可以通過 sizeof 得到，a 在內(nèi)存中的大小是 12 字節(jié)。

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

現(xiàn)在，數(shù)組好像確實(shí)有個(gè)數(shù)組的樣子。他們有自己的數(shù)組類型，在連續(xù)的內(nèi)存空間中存儲(chǔ)自己的成員。然而在某些情況下，數(shù)組表現(xiàn)得更像指針。例如，我們能在 a 上進(jìn)行指針運(yùn)算。

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

字面上看，a+1 是一個(gè)指向 int 的指針，占據(jù)地址 0x7fff5fbff570。這時(shí)，你應(yīng)該反過來將指針傳遞給 x 命令，讓我們看看會(huì)發(fā)生什么：

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

注意 0x7fff5fbff570 比 0x7fff5fbff56c 大 4，后者是 a 在內(nèi)存地址中的第一個(gè)字節(jié)?？紤]到 int 值占 4 字節(jié)，這意味著 a+1 指向 a[1].

事實(shí)上，在 C 語(yǔ)言中數(shù)組索引是指針運(yùn)算的語(yǔ)法糖：a[i] 等于 *(a+i)。你可以在 GDB 中嘗試一下。

= 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

我們已經(jīng)看到在某些情況下，a 表現(xiàn)的像一個(gè)數(shù)組，在另一些情況下表現(xiàn)得像一個(gè)指向它首元素的指針。接下來會(huì)發(fā)生什么呢？

答案是當(dāng)一個(gè)數(shù)組名在 C 語(yǔ)言表達(dá)式中使用時(shí)，它“退化”成指向這個(gè)數(shù)組首元素的指針。這個(gè)規(guī)則只有兩個(gè)例外：當(dāng)數(shù)組名傳遞給 sizeof 時(shí)，當(dāng)數(shù)組名傳遞給操作數(shù) & 時(shí)。

事實(shí)上，a 在傳遞給操作數(shù) & 時(shí)并沒有“退化”成一個(gè)指針，這就帶來一個(gè)有趣的問題：由“退化”變成的指針和 &a 存在區(qū)別嗎？

數(shù)值上講，他們都表示相同的地址：

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

然而，他們的類型是不同的。我們已經(jīng)看到 a 退化的值是指向 a首元素的指針；這個(gè)必須是類型 int *。對(duì)于類型 &a，我們可以直接詢問 GDB：

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

從顯示上看，&a 是一個(gè)指向 3 個(gè)整數(shù)數(shù)組的指針。這就說明：當(dāng)傳遞給 & 時(shí)，a 沒有退化，a 有了一個(gè)類型，是 int[3]。

通過測(cè)試他們?cè)谥羔樳\(yùn)算時(shí)的表現(xiàn)，你可以觀察到 a 的退化值和 &a 的明顯區(qū)別。

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

注意到對(duì) a 增加 1 等于對(duì) a 的地址增加 4，與此同時(shí)，對(duì) &a 增加 1 等于對(duì) a 的地址增加 12！

實(shí)際上 a 退化成的指針是 &a[0];

= preserve do
 :escaped
  (gdb) print &a[0]
  $11 = (int *) 0x7fff5fbff56c

結(jié)論

希望我已經(jīng)向你證明 GDB 是學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言的一個(gè)靈巧而有富有探索性的環(huán)境。你能使用 print 打印表達(dá)式的值，使用 x 查看內(nèi)存中原始字節(jié)，使用 ptype 配合類型系統(tǒng)進(jìn)行問題修補(bǔ)。

如果你想要進(jìn)一步對(duì)使用 GDB 學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言進(jìn)行嘗試，我有一些建議如下：

1.用 gdb 通過 Ksplice 指針挑戰(zhàn)。

2.研究結(jié)構(gòu)體是怎樣在內(nèi)存中存儲(chǔ)的？ 他們與數(shù)組比較又有什么異同？

3.使用 GDB 的 disassemble 命令學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言！一個(gè)特別有趣的練習(xí)是研究函數(shù)調(diào)用棧是如何工作的。

4.試試 GDB 的 “ tui ”模式，這個(gè)模式在常規(guī) GDB 頂層提供一個(gè)圖像化的 ncurses 層(Ncurses 提供字符終端處理庫(kù)，包括面板和菜單）。在 OS X 系統(tǒng)中，你可能需要用源代碼安裝 GDB。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)我們的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接