字节面经(gdb原理、valgrind)

黑猫爱小鹿

已于 2022-03-02 15:48:44 修改

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分类专栏：面经之C++ 文章标签：面试

于 2022-03-02 15:47:19 首次发布

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本文详细解析了GDB调试原理，教你如何设置断点，定位CPU占用高的问题，以及如何使用Valgrind检测内存泄漏。还讨论了栈与堆效率差异及构造函数不可继承的原因。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

字节面经

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GBD调试的原理

gdb调试可以用vscode的launch进行配置，同时也可以用用Cmake进行一个编译在进行调试

参考链接

GBD调试包括两个程序:(1) gdb程序，(2)被调试程序

本地调试上面两个程序都运行在本地
远程调试调试程序在一台电脑，被调试程序在另外一台电脑

gdb的调试命令

run , step , next , continue , quit

break n , delete n , enable n , disable n

where : 显示当前位置

bt :(backtrace) 列出调用栈

set args : 设置变量

watch：监控某个变量的改变

show args：查看参数

原理

当我们在终端执行 gdb ./test.out的时候操作系统发生了很多的事

操作系统首先启动gdb进程，这个进程会调用fork()函数创建一个子进程这个子进程做两个事情

(1) 调用系统函数ptrace()

(2)调用execv来加载执行我们的被调试的程序

TIPS: execv(const char* path,char* constargv[])这个函数会停止执行当前的进程，会用path文件路径下的应用进程替换掉被停止的进程，进程的ID没有改变

ptrace 系统函数是 Linux 内核提供的一个用于进程跟踪的系统调用，通过它，一个进程(gdb)可以读写另外一个进程(test)的指令空间、数据空间、堆栈和寄存器的值。而且 gdb 进程接管了 test进程的所有信号，也就是说系统向 test 进程发送的所有信号，都被 gdb 进程接收到，这样一来，test 进程的执行就被gdb 控制了，从而达到调试的目的。

相当于这样一种情况：如果没有 gdb 调试，操作系统与目标进程之间是直接交互的；如果用gdb 来调试程序，那么操作系统发送给目标进程的信号就会被 gdb 截获，gdb 根据信号的属性来决定：在继续运行目标程序时是否把当前截获的信号转交给 test，被调试程序 test 就在 gdb 发来的信号指挥下进行相应的动作。

gdb如何实现断点的呢

其实就是在设置断点的时候，

会把源码对应的汇编代码存储到断点表里面
在对应的汇编代码的位置替换成中断指令INT3，当执行发现是INT3的时候，操作系统会发一个信号SIGTRAP给被调试的进程

这时候我们执行run

这时候操作系统发送给被调试进程的所有信号被gdb进程接管了。

gdb接收这个信号，发现这个当前汇编代码执行到的行数，然后去断点链表里面找，发现有当前行数的代码
将之前替换成INT3的地方替换成断点链表里面的原来的代码
把PC指针回退一步重新设置到断点行
等待用户的调试指令

你怎么定位程序cpu使用率高的问题

第一步使用top指令，查看cpu的占用情况，查找是哪一个进程占用的cpu资源比较多
接下来就是定位这个进程里面的哪一个线程占用的资源比较多

top -H -p 可以查看

ps aux 也可以

pstree可以查看线程树
这时候我们就知道是哪一个线程造成了cpu资源占用率较高的线程
- 这时候就需要我们取查看线程的在做什么，这时候我们可以看看线程的堆栈
- pstack 进程号
- 也可以用strace来进行线程追踪的系统调用

pstack是gstack的软连接面试基于gdb封装的脚本

内存泄露

内存泄露检测工具valgrind

参考链接

valgrind是一个强大的工具，最常用的功能是用它来检测内存泄漏和非法内存的使用。要想让valgrind报告的更加细致，请使用-g进行编译。

基本命令如下：

$ valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes program
可以检测如下问题：

如果malloc/realloc/calloc和free的数量不同，则会报告如下的内容。

==3375== HEAP SUMMARY:
==3375==     in use at exit: 128 bytes in 1 blocks
==3375==   total heap usage: 4,900 allocs, 4,899 frees, 29,477,380 bytes allocated

如果有第一个问题，则会报告哪里申请的内存没有进行释放：

==3375== 128 bytes in 1 blocks are definitely lost in loss record 1 of 1
==3375==    at 0x4C2AC3D: dd (d.c:299)
==3375==    by 0x50C44F2: cc (c.c:112)
==3375==    by 0x5211824: bb (b.c:526)
==3375==    by 0x518643B: aa (a.c:398)
==3375==    by 0x400EB3: main (main.c:37)

如上表示在文件d.c的299行，有申请内存，没有进行释放。

使用未初始化的变量：

==3375== Conditional jump or move depends on uninitialised value(s)
==3375==    at 0x5121568: bb (b.c:1035)
==3375==    by 0x511DE92: aa (a.c:60)
==3375==    by 0x400FB3: main (main.c:64)

如上说明，在b.c文件的1035行,使用了未初始化的变量。

多次free的问题

==3375== Invalid free() / delete / delete[] / realloc()
==3375==    at 0x4C2BD57: free (vg_replace_malloc.c:530)
==3375==    by 0x4005AA: aa (a.c:9)
==3375==    by 0x4005BA: main (main.c:14)

如上表示，在a.c文件的9行，进行了第2次的free调用。同时也会有如下的提示，表明申请与释放的次数不同。

==3375== HEAP SUMMARY:
==3375==     in use at exit: 0 bytes in 0 blocks
==3375==   total heap usage: 1 allocs, 2 frees, 4 bytes allocated

非法内存操作：

==3375== Invalid write of size 4
==3375==    at 0x40059B: aa (a.c:8)
==3375==    by 0x4005BC: main (main.c:14)
==3375==  Address 0x51fc044 is 0 bytes after a block of size 4 alloc'd
==3375==    at 0x4C2AC3D: malloc (vg_replace_malloc.c:299)
==3375==    by 0x40058E: aa (a.c:7)
==3375==    by 0x4005BC: main (main.c:14)

如上表示，使用malloc申请了4个字节的内存，但在a.c的第8行，对第4(从0开始计数)个字节进行了写操作。
valgrind主要检测的是动态内存相关的错误。当然valgrind也只是个工具。应该在平时写代码时组织好代码。

另外这个是trace所以要从后往前看

kill某个有名称的进程

kill -9 进程名

9就是SIGCHLD信号

voliate

其实这个参数主要是防止编译器优化的；

比如在硬件buff里面写数据

BYTE[4]=0x22;
BYTE[4]=0x25;
BYTE[4]=0x42;
BYTE[4]=0xa2;

如果没有加valiate编译器就会优化只保留最后一条

最硬件来说这四条命令是四个操作

但是编译器直接优化的只剩下最后一个操作了，这个就达不到我们的预期效果

voliate的第二个用法是在多线程的环境下的，也就是保证变量的可见性

适用于多个线程都要用到某一个变量同时该变量的值被更改时

当一个多线程程序执行在一个多核心的机器上时，就会出现真正的并行情况，每个线程都独立的运行在一个CPU上，每个CPU都有属于自己独立的周边缓存。

那么此时，一个变量被两个线程操作，从内存复制到CPU缓存时，就可能出现两份了，这个时候就会出现问题，比如说简单的自增操作，就会变成，你加你的，我加我的，这样运行的效果就会偏离预期。线程1在CPU1上只看得见自己的缓存变量，线程2在CPU2上，也只看得见自己的缓存变量，它们都认为这是正确的、唯一的变量。这样也就导致程序运行结果偏离了预期。

volatile关键字就是用来处理这种可见性的问题。

当一个变量被标记为volatile的时候，这个变量将被放在主存里面，而不是CPU的缓存里面。当这个变量被读取的时候，是从主存读取，当这个变量被写入的时候，是写入到主存。

所以其实被volatile修饰变量访问效率要低一些

栈的效率为什么比堆要高

因为栈是机器系统提供的数据结构，计算机底层会对栈提供支持，分配专门的寄存器存放栈的地址，压栈，出栈都有专门的指令取执行,所以栈的效率要高于堆
另外的话，我们在堆里面分配内存机制是复杂的，它会根据一定的算法(最佳适应，最坏适应，邻近适应，首次适应)，这时候如果有足够的大小才进行申请资源

总结就是

有寄存器对栈直接寻址(ESP,EBP)，而堆的访问只能通过页表间接寻址
栈中的数据命中率高(局部性原理)
栈是编译的时候已经知道大小，运行的时候系统自动的分配空间，而堆是动态分配，所以栈的速度要快
栈是先进后出的队列结构，比起堆里面的数据结构要简单一点，
栈中内存空间的分配有先进先出而堆中有复杂的空间分配算法，首次适应算法，最优适应算法，邻近适应算法

为什么构造函数不可以被继承

就算构造函数被继承了，那么名字也不一样，也不可能成为子类的构造函数，当然也不可能成为普通的成员函数
如果继承了，那么父类的变量初始化子类也要干，这个时候父类私有的子类看不见也没办法去进行构造。这时候的解决方法就是，在子类的构造函数里面调用父类的构造函数