21、命令行与GDB调试全解析-优快云博客

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命令行与GDB调试全解析

1. 命令行使用优势与启动方法

1.1 命令行使用优势

使用命令行有一个更实际的原因，即命令行程序比图形程序更容易编写。编写图形程序时，需要设置菜单、定位图标等，而命令行程序则无需这些操作。实际上，第一个命令行程序可能只需三条指令，这对于启动一个窗口应用程序来说远远不够。

1.2 各平台启动命令行的方法

不同操作系统启动命令行的方式有所不同，具体如下：
| 操作系统 | 启动步骤 |
| ---- | ---- |
| Mac | 打开Finder（通常是Dock左下角的笑脸图标），进入“Applications”，再进入“Utilities”文件夹，找到“Terminal”程序并打开，可将其拖到Dock以便后续访问。 |
| Windows | 按住Windows键并按R打开“运行”窗口，输入cmd并点击“确定”。 |
| Linux | 因发行版而异，通常命令行在标准菜单中，可查找“Command Prompt”“Terminal”“Shell”等菜单项。 |

1.3 命令行界面与命令提示

命令行启动后，通常是黑色背景白色文本，一般不能使用鼠标。按下回车键会换行，光标左侧的文本是命令提示符，其内容取决于操作系统，通常会显示用户名、计算机名和当前所在目录。

1.4 常见命令行shell

常见的命令行shell包括：
- Bash ：Linux上最常见的shell，也是旧版Mac的默认shell，全称为“Bourne Again Shell”，是对旧版“Bourne Shell”的改进。
- Z Shell（zsh） ：从Catalina系统开始，Mac通常默认使用Z Shell，它与Bash类似，但更新、更可定制且更一致。
- Windows Command Shell ：在Windows上运行cmd命令时默认使用的shell。
- Windows Powershell ：供高级用户使用，与Windows Command Shell类似，但与操作系统集成度更高。本书更倾向使用Windows Command Shell，因为它更广泛可用且更易访问，但专业Windows程序员通常使用Powershell。

需要注意的是，大多数人会互换使用“命令行”“命令提示符”“终端”和“shell”这些术语。

2. 使用命令行导航计算机

命令行启动后，你处于计算机的某个目录中，这个目录称为当前目录或工作目录，通常是主目录，包含桌面、“Photos”目录、“Documents”目录等。

2.2 查看工作目录和文件

查看工作目录 ：在大多数shell中，输入pwd并按回车键可打印当前工作目录；在Windows Command Shell中，需输入echo %cd%。
查看当前目录文件 ：输入dir可打印当前目录中的所有文件列表。在某些Linux系统中，需使用ls命令。

2.3 切换驱动器和目录

切换驱动器（Windows） ：输入驱动器名称后跟冒号并按回车键，如输入E:可切换到E盘。
切换目录 ：使用cd（change directory）命令。新用户最好一次只切换一个目录，如输入cd Desktop可进入“Desktop”目录。如果目录名包含空格，需用双引号将其括起来，如cd “My Directory”。输入cd ..可返回上一级目录，.目录始终指当前目录。

2.4 创建目录和查看文件

创建目录 ：使用mkdir命令，如mkdir MyStuff可创建名为“MyStuff”的目录。若目录名包含空格，同样需用双引号括起来。
查看文件 ：在Linux和Mac上，输入cat myfile.txt可查看名为myfile.txt的文件；在Windows上，需输入type myfile.txt。不过，大多数文件在命令行中显示可能是乱码，因为它们不是为在命令行显示而编写的。

3. 运行程序与环境变量设置

3.1 运行程序

在命令行中，你已经在运行程序，如dir命令实际上是一个单独的程序，用于列出目录。shell中有一个名为path的变量，用于指定查找程序的标准位置。如果要运行的命令不在path中，需要指定程序的具体位置。在本书中，运行自己的程序时，通常在程序名前加./，如./myexit。

3.2 程序退出状态码

每个命令退出时都有一个状态码，范围是0到255，大多数程序的状态码为0，表示程序正常退出。在Linux上，输入echo $?可查看上一个命令的退出状态码。

3.3 环境变量设置

环境变量是一组在命令行中未显式设置但会传递给程序的值。设置环境变量使用export VARNAME=VALUE命令，取消设置使用unset VARNAME命令。需要注意的是，注销后所有环境变量将重置为默认值。

3.4 文件编辑

虽然经常使用命令行的人也倾向于使用图形程序编辑文件，但在命令行中也可以编辑文件。如果使用附录A中提到的Docker镜像，其中安装了多个常见的命令行编辑器，如nano、mle、tilde、jed、mg、emacs和vi。以nano为例，输入nano myfile.txt可编辑名为myfile.txt的文件，文件不存在时保存会自动创建。nano编辑器在屏幕底部会显示常用命令，使用^表示按住Ctrl键，输入control-o保存，control-x退出。

3.5 显示文件扩展名

建议在计算机中设置显示文件扩展名，因为文件扩展名是文件名的一部分，用于指示文件格式和应使用的应用程序。不同操作系统设置显示文件扩展名的位置不同，通常在文件浏览器的偏好设置菜单中，可能在“高级”选项下。

4. GDB调试入门

4.1 GDB调试优势

虽然本书主要教授计算机底层工作原理，没有过多关注调试，但标准的GNU调试器（GDB）支持汇编语言编程。了解汇编语言的一个好处是，即使程序没有调试信息，也可以使用GDB调试任何编译后的程序，因为它们都编译成相同的机器代码。

4.2 启动GDB

在命令行中输入gdb启动GDB，会出现如下提示：

(gdb) _

在提示处输入file FILENAME（FILENAME是要调试的程序路径），将程序加载到调试器中。

4.3 设置断点并运行程序

直接输入run会使程序运行到结束，若要调试，需要设置断点。在程序入口点（_start）添加断点，输入break *_start，然后输入run，程序会在断点处停止。

4.4 代码反汇编

在调试程序时，可让调试器将机器代码反汇编成汇编代码。输入disassemble可查看当前函数的反汇编代码，例如：

(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function _start:
=> 0x0000000000401000 <+0>:    mov     $0x3c,%rax
   0x0000000000401007 <+7>:    mov     $0x3,%rdi
   0x000000000040100e <+14>:   syscall
End of assembler dump.
(gdb) _

箭头（=>）指向当前指令，长十六进制数是指令地址，旁边的数字是相对于最近标签或函数（_start）的偏移量。

5. 命令行与GDB调试的实际应用场景与技巧总结

5.1 命令行操作的实际应用场景

命令行操作在很多场景下都非常实用，下面通过几个常见场景来进一步说明：

5.1.1 系统管理与维护

批量文件处理 ：当需要对大量文件进行重命名、移动或删除操作时，命令行可以高效地完成任务。例如，使用 mv 命令可以批量移动文件，使用 rm 命令可以批量删除文件。
系统配置 ：通过命令行可以直接修改系统配置文件，如修改网络配置、用户权限等。例如，在Linux系统中，可以使用 vi 或 nano 编辑器修改 /etc/network/interfaces 文件来配置网络。

5.1.2 软件开发

编译与构建 ：在软件开发过程中，命令行可以用于编译和构建项目。例如，使用 gcc 命令编译C语言程序，使用 make 命令根据Makefile文件进行项目构建。
版本控制 ：使用版本控制系统（如Git）时，命令行可以方便地进行代码提交、拉取、分支管理等操作。例如，使用 git add 、 git commit 和 git push 命令进行代码提交和推送。

5.2 GDB调试的高级技巧

5.2.1 条件断点

除了在程序入口点设置断点外，还可以设置条件断点。条件断点只有在满足特定条件时才会触发，这在调试复杂程序时非常有用。例如，在调试一个循环时，可以设置断点在循环变量满足某个特定值时触发。设置条件断点的命令如下：

(gdb) break LINE_NUMBER if CONDITION

其中， LINE_NUMBER 是断点所在的行号， CONDITION 是触发断点的条件。

5.2.2 单步执行与观察变量

在调试过程中，可以使用单步执行命令逐步执行程序，观察程序的执行流程和变量的值。常用的单步执行命令有：
- next ：执行下一行代码，如果遇到函数调用，不会进入函数内部。
- step ：执行下一行代码，如果遇到函数调用，会进入函数内部。
- print VARIABLE ：打印变量的值。

例如，在调试过程中，可以使用 next 命令逐步执行程序，同时使用 print 命令观察变量的值：

(gdb) next
(gdb) print VARIABLE

5.3 命令行与GDB调试的结合使用

在实际开发中，命令行和GDB调试通常结合使用。例如，在编写完代码后，使用命令行进行编译和构建，然后使用GDB进行调试。下面是一个简单的流程示例：

graph LR
    A[编写代码] --> B[使用命令行编译构建]
    B --> C[使用GDB启动调试]
    C --> D[设置断点]
    D --> E[运行程序]
    E --> F[单步执行与观察变量]
    F --> G{是否找到问题}
    G -- 是 --> H[修复代码]
    G -- 否 --> D
    H --> B

5.4 常见问题与解决方法

5.4.1 命令行操作常见问题

命令找不到 ：如果输入的命令找不到，可能是因为命令不在 path 中，需要检查命令的路径或添加到 path 中。
权限问题 ：在执行某些命令时，可能会遇到权限不足的问题，需要使用 sudo 命令以管理员权限执行。

5.4.2 GDB调试常见问题

断点不触发 ：如果设置的断点不触发，可能是因为断点位置设置错误或条件不满足，需要检查断点设置。
程序崩溃 ：在调试过程中，程序可能会崩溃，需要检查程序的内存使用情况和逻辑错误。

5.5 总结与展望

命令行和GDB调试是软件开发和系统管理中非常重要的工具。通过掌握命令行操作和GDB调试技巧，可以提高开发效率和解决问题的能力。在未来的学习和工作中，建议不断实践和探索，深入了解命令行和GDB调试的更多功能和应用场景。同时，随着技术的不断发展，命令行工具和调试器也在不断更新和完善，需要关注最新的技术动态，及时学习和掌握新的工具和技巧。

希望本文能够帮助你更好地理解和掌握命令行操作和GDB调试，在实际应用中发挥更大的作用。