Отладка с помощью GDB

“Не беспокойтесь, если что-то не функционирует правильно. Если бы все работало, вы были бы без работы.”

Неизвестный

Никита Манович (Itseez)
2013

Содержание

Введение в отладку
Демонстрация: Отладка однопоточного приложения Введение в GDB
Демонстрация: Post-mortem отладка
Демонстрация: Отладка многопоточного приложения
Демонстрация: Удаленная отладка с помощью GDB
Заключение

Отладка и отладчик

Отладка - это процесс нахождения и устранения ошибок и дефектов в компьютерной программе или в электронном оборудовании.
Отладчик - это компьютерная программа, которая используется для тестирования и отладки других программ.

Примеры:

GDB: GNU отладчик
Valgrind: утилита для отладки проблем с памятью, утечек памяти и профилирования
strace: трассирование системных вызовов
OProfile: профилировщик для Linux систем

Распространенные техники отладки

Printf отладка, трассирование и логирование
Post-mortem отладка (дамп памяти, логи)
Использование специальных программ (отладчиков)
Проверка различных утверждений в коде (assert)
Алгоритм "волчья ограда"

Общие определения: breakpoint

Breakpoint (точка останова) - это преднамеренное прерывание выполнения программы, при котором выполняется вызов отладчика.

Какие бывают точки останова?

Точка останова с поддержкой аппаратуры
Точка останова реализованная программно

Примеры команд для GDB: break, rbreak, tbreak

Общие определения: watchpoint

Watchpoint - точка останова по данным. Срабатывает, когда меняется значение заданного выражения или переменной.

Примеры команд для GDB: watch, rwatch, awatch

Общие определения: checkpoint

Checkpoint - снимок состояния программы.

Плюсы:

Возможность начать отладку с определенной точки
Иногда можно откатить операции ввода/вывода
Можно обойти проблемы с рандомизацией адресного пространства в системах GNU Linux

Минусы:

Не подходит для многопоточной программы
Меняется идентификатор отлаживаемого процесса
Действия с вводом/выводом нельзя отменить полностью

Общие определения: catchpoint

Catchpoint - специальная точка останова, которая срабатывает при достижении специального события, например, C++ исключения или загрузки библиотеки.

Примеры команд для GDB: catch throw, catch catch, catch syscall, catch load.

Общие определения: call stack

Call stack (стек вызовов) - хранит информацию об активных процедурах и функциях.

Приемы против отладки

Проверка, что отладчик запущен
Детектирование по времени выполнения кода
Определение модификации кода
С помощью исключений
Использование уязвимостей
Сломанный дизассемблер

Краткая история проекта GDB

GDB был написан Ричардом Столлманом в 1986 как часть его GNU системы
С 1990 по 1993 он поддерживался Джоном Гилмором пока он работал на Cygnus Solutions
Сейчас этот отладчик поддерживается управляющим комитетом GDB

Наиболее популярный GDB GUI - это DDD Стабильный выпуск: 30 августа, 2013: GDB 7.6.1 Сайт: http://www.gnu.org/software/gdb

Компиляция для отладки (GCC)

Полезные опции для GCC компилятора:

-g<level> - отладочная информация в нативном формате для операционной системы
- level = 0 - нет отладочной информации
- level = 1 - минимально необходимая информация
- level = 3 - дополнительная информация
-ggdb<level> - информация в формате GDB
-O0 - отключение всех оптимизаций компилятора
-fno-omit-frame-pointer - использовать указатель на фрейм

Запуск программ из под GDB

$ gdb --args <программа с аргументами>
$ gdb <программа> [<pid>] [<core-файл>]
r, run [аргументы] - запуск программы под GDB
start [аргументы] - удобный способ запуска программы с точкой останова на первой строчке функции main
attach <pid> / detach - отладка уже запущенного процесса

Продолжение и пошаговое исполнение

continue, c, fg - возобновление исполнения программы
s, step [count] - продолжить исполнение до следующей строчки исходного кода
n, next [count] - продолжить исполнение до следующей строчки исходного кода в текущем фрейме
ni, nexti, si, stepi [count] - так же как next и step, но для инструкции
fin, finish - продолжить исполнение до тех пор, пока текущая функция не завершится
u, until [location] - продолжить исполнение до тех пор, пока не достигнута следующая строчка

Вывод информации о стеке вызовов

bt, backtrace [full] [n] - напечатать стек вызовов
frame [n] - навигация по текущему стеку вызовов
info frame - вывести подробную информацию о текущем стековом фрейме
info args - вывести аргументы для текущего фрейма
info locals - вывести локальные переменные для текущего фрейма

Просмотр данных

print [/fmt] <expr> - показать значение выражения
- a - указатель
- x - шестнадцатеричное целое
- s - трактовать как C-строку
- u - беззнаковое целое
print *address@<len> - показать массив
display [/fmt] <expr> - показывать каждый раз
delete/disable/enable display <id> - управлять списком для отображения данных
info display - вывести список выражений для отображения
info <registers | all-registers> - показать регистры

Навигация по исходным файлам

l, list [linenum | function | - | +] - показать код
forward-search, search regexp - искать в прямом направлении в текущем файле
reverse-search regexp - искать в обратном направлении в текущем файле
dir, directory <dirname> - добавить директории для поиска файлов
set substitute-path <to> <from> - определить подстановочное правило для директории
disassemble [/m | /r] [start,+length] - показать диапазон памяти, как инструкции процессора

Исполнение в обратном направлении

record [full] - начать процесс записи
record stop - остановить процесс записи
reverse-continue, reverse-step, reverse-next, reverse-nexti, reverse-stepi, reverse-finish - команды для обратного исполнения программы
checkpoint - сделать снимок состояния программы
restart <checkpoint-id> - восстановить состояние
info checkpoints - информация о всех checkpoints
delete checkpoint <id> - удалить checkpoint

Текстовый пользовательский интерфейс

Запустить gdb -tui и C-x C-a сочетание клавиш
В TUI режиме, gdb может отображать несколько окон:
- command - GDB командная строка и вывод
- source - показывает исходный код программы
- assembly - показывает вывод дизассемблера
- register - показывает регистры процессора
layout <prev | next | asm | src | split | regs>
focus <prev | next | asm | src | split | regs | cmd>
refresh (или C-L сочетание клавиш)

Полезные трюки

Количество вызовов функции (break, ignore, info break)
Отладка макросов (CFLAGS/CXXFLAGS=-ggdb3)
Поиск исходных файлов (directory, substitute-path)
Python внутри gdb (python, gdb.*, end)
~/.gdbinit (команды, запускающиеся на старте gdb)
save breakpoints <файл> / source <файл>
commands <n> установить команды для точек останова
Профилировщик (http://poormansprofiler.org)

Post-mortem отладка использование GDB

$ ulimit -a
core file size (blocks, -c) unlimited ...
$ ulimit -c unlimited
$ gdb <program> <core>

Полезные команды GDB:

gcore, generate-core-file <файл> - сгенерировать дамп памяти исследуемого процесса

Контрольные вопросы

Что такое отладка и отладчик?
Назовите 3 метода отладки и опишите их.
Опишите алгоритм отладки "Волчья ограда" (wolf fence).
Расшифруйте и объясните следующие термины: breakpoint, watchpoint, checkpoint, catchpoint и call stack.
Перечислите 3 распространенных приема против отладки.
Объясните назначение отладочной информации и как нужно скомпилировать программу, чтобы она была.
Напишите 5 команд отладчика GDB (запуск, поставить точку останова с условием, продолжить, распечатать локальные переменные, завершить работу отладчика).