本文深入探讨了GNU编译器集合(GCC)、Binutils工具集和GDB调试器的功能与应用。详细讲解了gcc编译选项、自定义程序入口、32位程序编译方法；Binutils中的addr2line、ar、nm、size、strings、objdump工具的使用；以及GDB的启动方式、断点调试、函数调用栈查看等高级调试技巧。
目录
1、gcc编译器
GCC与gcc的不同
GNU计划: GNU's Not Unix，Unix的收费所以模仿Unix界面和使用方式发起的一个计划，目标是创建一套完全自由的操作系统
GCC（GNU Compiler Collection）：GNU编译器集合，包含众多语言的编译器（C，C++，Java，D，Objective-C，etc.）
gcc：特指GCC中的C语言编译器
gcc关键编译选项
- 预处理指令： gcc -E file.c -o file.i
- 编译指令： gcc -S file.i -o file.s
- 汇编指令： gcc -c file.s -o file.o
- 生成映射文件： gcc -Wl,-Map=test.map file.c
- 宏定义： gcc -D'TEST="test"' file.c
- 获取系统头文件路径： gcc -v file.c
- 获取目标的完整依赖关系： gcc -M test.c
- 获取目标的部分依赖关系： gcc -MM test.c
- 指定库文件及库文件搜索路径
★ -L 选项：指定库文件的搜索路径
★ -l 选项：指定库文件： gcc test.c -L. -lfunc
- 指定头文件路径 ： gcc -Idir test.c
//func.h
#include <stdio.h>
void func()
{
#ifdef TEST
printf("TEST = %s\n", TEST);
#endif
return;
}
//test.c
#include <stdio.h>
#include "func.h"
int g_global = 0;
int g_test = 1;
int main(int argc, char *argv[])
{
func();
printf("&g_global = %p\n", &g_global);
printf("&g_test = %p\n", &g_test);
printf("&func = %p\n", &func);
printf("&main = %p\n", &main);
return 0;
}
func.h改名func.c， 去除test.c的文件包含
自定义程序入口函数
gcc提供 -e 选项用于在链接时指定入口函数（ld的-e选项），自定义入口函数时必须使用 -nostartfiles 选项进行链接
- -nostartfiles：Do not use the standard system startup files when linking. 使用-nostartfiles即告诉链接器不再使用_start()函数作为代码段入口函数
- -nodefaultlibs
- -nostdlib
64位的Ubuntu系统配上默认的额64位的gcc，如何编译32位程序
- sudo apt-get install gcc-multilib g++-multilib module-assistant
- gcc -m32 test.c
2、Binutils工具集
GNU为GCC编译器提供了配套的辅助工具集（Binutils））
http://www.gnu.org/software/binutils/
addr2line：将指定地址转换为对应的文件名和行号，常用于分析和定位内存访问错误的问题
//func.c
#include <stdio.h>
int* g_pointer;//0
void func()
{
*g_pointer = (int)"D.T.Software"; // 对0地址处赋值, 段错误， 如果有50万行代码如何快速定位错误？
return;
}//test.c
#include <stdio.h>
int g_global = 0;
int g_test = 1;
extern int* g_pointer;
extern void func();
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("&g_global = %p\n", &g_global);
printf("&g_test = %p\n", &g_test);
printf("&g_pointer = %p\n", &g_pointer);
printf("g_pointer = %p\n", g_pointer);
printf("&func = %p\n", &func);
printf("&main = %p\n", &main);
func();
return 0;
}addr2line 示例：定位0地址访问
1. 开启core dump选项（程序奔溃的最后一刻记录内存信息，寄存器信息等）
ulimit -c unlimited
2. 运行程序，并生成崩溃时的 core文件
执行导致程序崩溃的测试用例
3. 读取 core文件，获取IP寄存器的值（如0x08048000）
dmesg core
4. 使用addr2line定位代码行
addr2line 0x08048000 -f -e test.out
几乎所有的调试辅助工具都依赖于目标文件中的调试信息，调试信息的运用能够快速定位问题
strip：剔除程序文件中的调试信息，减少目标程序的大小
- 一般在程序发布前都需要将调试信息剔除，过多的调试信息可能影响程序的执行效率
ar
- 打包目标文件 ar crs libname.a x.o y.o
- 解压目标文件 ar x libname.a
nm
- 列出目标文件中的标识符（变量名，函数名），输出结果由三部分组成：{标识符对应地址，标识符所在段，标识符名字}
段标识说明
size：获取目标文件中的所有段大小
strings：获取目标文件中的所有字符串常量
objdump：
- 反汇编目标文件，查看汇编到源码的映射
objdump -h的输出说明
区分VMA与LMA
VMA表示Virtual Memory Address，即虚拟地址，
LMA表示Load Memory Address，即加载地址
正常情况下这两个值应该是一样的，但是在有些嵌入式系统中，特别是在那些程序放在ROM的系统中时，LMA和VMA是不相同的
3、调试利器GDB
GDB
- GNU项目中的调试器（gnu debuger），能够跟踪程序的执行，也能够恢复程序崩溃前的状态
- binutils工具集属于静态分析工具，目标是可执行程序文件（事后分析），GDB是动态分析工具，目标是进程
GDB的启动方式
- 直接启动：gdb、gdb test.out、gdb test.out core
- 动态连接：gdb test.out pid // 动态跟踪这一进程
GDB的常规应用
- 自定义程序的启动方式（指定影响程序运行的参数如：命令行参数）
- 设置条件断点（在条件满足时暂停程序的执行）
- 回溯检查导致程序异常结束的原因（core dump）
- 动态改变程序执行流（定位问题的辅助方式）
实验分析
fun.c
#include <stdio.h>
int* g_pointer;
void func()
{
*g_pointer = (int)"D.T.Software";
return;
}#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
extern int* g_pointer;
extern void func();
void test_1()
{
printf("test_1() : %p\n", test_1);
}
void test_2()
{
printf("test_2() : %p\n", test_2);
}
void test_3()
{
printf("test_3() : %p\n", test_3);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
typedef void(TFunc)();
TFunc* fa[] = {test_1, test_2, test_3};
int i = 0;
printf("main() : begin...\n");
for(i=0; i<argc; i++)
{
printf("argv[%d] = %s\n", i, argv[i]);
}
for(i=0; i<100; i++)
{
fa[i%3]();
sleep(argc > 1); // 休眠1s
}
printf("g_pointer = %p\n", g_pointer);
func();
printf("main() : end...\n");
return 0;
}
编译运行出现段错误，使用gdb调试分析错误
调试1
直接定位了错误之处，比静态分析工具强大多
调试2
演示设置命令行参数
演示gdb动态链接到一个进程
使用GDB 进行断点调试
断点类型
- 软件断点：由非法指令异常实现（软件实现），软件断点适用于运行于内存中的程序
- 硬件断点：由硬件特性实现（数量有限），硬件断点适用于运行于Flash中的程序
- 数据断点：由硬件特性实现（数量有限）， 数据断点用于监视一段内存，若这段内存被访问（被读，被写）程序立即停下
软件断点的相关操作
- 通过函数名设置断点
break func_name [ if var = value ]
tbreak func_name [ if var = value ] （break设置的断点总是有效的，tbreak设置一次有效断点，若指明了条件就为条件断点）
- 通过文件名行号设置断点
break file_name:line_num [ if var = value ]
tbreak file_name:line_num [ if var = value ]
硬件断点及其应用
- 当代码位于只读存储器（Flash）时，只能通过硬件断点调试，硬件断点需要硬件支持，数量有限
- GDB中通过 hbreak 命令支持硬件断点，hbreak 与 break 使用方式完全一致
实验分析
使用gdb进行断点调试
可以尝试跳过43行func()的调用，若程序执行正常确定func函数有问题
接下来进行第二次调试
第三次调试
整个过程没有修改源代码...就成功定位错误，并解决问题
GDB中支持数据断点的设置
- watch 命令用于监视变量是否被改变（本质为硬件断点）
- watch命令的用法：watch var_name
GDB中的内存查看
- GDB中可以检查任意内存区域中的数据
- 命令语法：x /Nuf expression
N ： 需要打印的单元数
u ： 每个单元的大小
f ： 数据打印的格式
示例：判断系统大小端
实验分析
变量断点和内存查看 test.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
int g_var = 0;
void* thread_func(void* args)
{
sleep(5);
g_var = 1;
}
int main()
{
int i = 0;
pthread_t tid = 0;
pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
for(i=0; i<10; i++)
{
printf("g_var = %d\n", g_var);
sleep(1);
}
}
下面调试分析 定位哪一行代码修改了全局变量
这样就可以得知11行代码改写了数据
函数调用栈的查看（backtrace和frame）
- backtrace 查看函数调用的顺序（函数调用栈的信息）
- frame N 切换到栈编号为N的上下文中
- info frame 查看当前函数调用的栈帧信息
实验分析
函数调用栈的查看 frame.c
#include <stdio.h>
int sum(int n)
{
int ret = 0;
if( n > 0 )
{
ret = n + sum(n-1);
}
return ret;
}
int main()
{
int s = 0;
s = sum(10);
printf("sum = %d\n", s);
return 0;
}
下面调试分析
调试中的小技巧
实验分析
#include <stdio.h>
int g_var = 1;
struct ST
{
int i;
int j;
};
int func()
{
struct ST st[5] = {0};
int i = 0;
for(i=0; i<5; i++)
{
st[i].i = i;
st[i].j = i * i;
}
for(i=0; i<5; i++)
{
printf("st[%d].i = %d\n", i, st[i].i);
printf("st[%d].j = %d\n", i, st[i].j);
}
}
int main()
{
static c_var = 2;
func();
return 0;
}
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