C语言学习第十一天-调试教程

调试的概念

在编写代码的过程中，相信大家肯定遇到过这样的情况：代码能够编译通过，没有语法错误，但是运行结果却不对，反复检查了很多遍，依然不知道哪里出了问题。这个时候，就需要调试程序了。

所谓调试（Debug），就是让代码一步一步慢慢执行，跟踪程序的运行过程。比如，可以让程序停在某个地方，查看当前所有变量的值，或者内存中的数据；也可以让程序一次只执行一条或者几条语句，看看程序到底执行了哪些代码。

在调试的过程中，我们可以监控程序的每一个细节，包括变量的值、函数的调用过程、内存中的数据、线程的调度等，从而发现隐藏的错误或者低效的代码。

编译器可以发现程序的语法错误，调试可以发现程序的逻辑错误。所谓逻辑错误，是指代码思路或者设计上的缺陷。

对于初学者来说，学习调试也可以增加编程的功力，它能让我们更加了解自己的程序，比如变量是什么时候赋值的、内存是什么时候分配的，从而弥补学习的纰漏。

调试器

调试需要借助专业的辅助软件-调试器。主流的C/C++调试器有下面几种：

Remote Debugger、WinDbg、LLDB、GDB。

设置断点，开始调试

默认情况下，程序不会进入调试模式，代码会瞬间从开头执行到末尾。要想观察程序的内部细节，就得让程序在某个地方停下来，我们可以在这个地方设置断点。

所谓断点（BreakPoint），可以理解为障碍物，人遇到障碍物不能行走，程序遇到断点就暂停执行。

调用堆栈可以看到当前函数的调用关系。

断点窗口可以看到当前设置的所有断点。

即时窗口可以让我们临时运行一段代码。

输出窗口用来显示程序的运行过程，给出错误信息和警告信息。

自动窗口会显示当前代码行和上一行码行中所使用到的变量。

局部变量窗口会显示当前函数中的所有局部变量。

线程和模块窗口暂时无需理会。

断点的真正含义

严格来说，调试器遇到断点时会把程序暂时挂起，让程序进入一种特殊的状态-中断状态，这种状态下操作系统不会终止程序的执行，也不会清除与程序相关的元素，比如变量、函数等，它们在内存中的位置不会发生变化。

关键是，处于中断状态下的程序允许用户查看和修改它的运行状态，比如查看和修改变量的值、查看和修改内存中的数据、查看函数调用关系等，这就是调试的奥秘。

继续执行程序

点击“运行”按钮或者按F5键即可跳过断点，让程序恢复正常状态，继续执行后面的代码，直到程序结束或者遇到下一个断点。

在调试过程中，按照上面的方法可以设置多个断点，程序在执行过程中每次遇到断点都会暂停。

删除断点

如果不希望程序暂停，可以删除断点。删除断点也很简单，在原有断点处再次单击鼠标即可，也可以将光标定位到要删除断点的代码行，再次按F9键，或者在右键菜单中删除。

代替暂停语句

在VS下，程序运行结束后不会自动暂停（一闪而退），要手动添加暂停语句system("pause"); ，如果大家觉得麻烦，也可以在代码最后插入断点，强制程序暂停。

查看和修改变量的值

设置了断点，就可以观察程序的运行情况了，其中很重要的一点就是查看相关变量的值，这足以发现大部分逻辑错误。

添加监视

如果你希望长时间观测某个变量，还可以将该变量添加到监视窗口。

添加监视之后，每次变量的值被改变都会反映到该窗口中，无需再将鼠标移动到变量上方查看其值。尤其是当程序稍大时，往往需要同时观测多个变量的值，添加监视的方式就会显得非常方便。

单步调试（逐语句调试和逐过程调试）

单步调试，就是让代码一步一步地执行。

逐过程调试（F10）和逐语句调试（F11）都可以用来进行单步调试，但是它们有所区别：

逐过程调试（F10）在遇到函数时，会把函数从整体上看做一条语句，不会进入函数内部；

逐语句调试（F11）在遇到函数时，认为函数由多条语句构成，会进入函数内部。

修改代码运行位置

调试器还允许我们直接跳过一段代码，不去执行它们。

随意修改程序运行位置是非常危险的行为，假设我们定义了一个指针，在第N行代码中让它指向了一个数组，如果我们在修改程序运行位置的时候跳过了第N行代码，并且后面也使用到了该指针，那么就极有可能导致程序崩溃。

即时窗口的使用

“即时窗口”是VS提供的一项非常强大的功能，在调试模式下，我们可以在即时窗口中输入C语言代码并立即运行。

在即时窗口中可以使用代码中的变量，可以输出变量或表达式的值（无需使用printf()函数），也可以修改变量的值。

即时窗口本质上是一个命令解释器，它负责解释我们输入的代码，再由VS中的对应模块执行，最后将输出结果呈现到即时窗口。

需要注意的是，在即时窗口中不能定义新的变量，因为程序运行时 Windows 已经为它分配好了只够刚好使用的内存，定义变量是需要额外分配内存的，所以调试器不允许在程序运行的过程中定义变量，因为这可能会导致不可预知的后果。

调用函数

在即时窗口中除了可以使用代码中的变量，也可以调用代码中的函数。

查看、修改运行时的内存

类型名	变量类型	内存查看窗口中应选择的数据格式
short	16位整型	2字节整数
int	32位整型	4字节整数
long	32位整型	4字节整数
long long	64位整型	8字节整数
float	32位单精度浮点数	32位浮点
double	64位双精度浮点数	64位浮点

assert断言函数

assert 函数的用法很简单，我们只要传入一个表达式即可，它会计算我们传入的表达式的结果，如果为真，则不会有任何操作，但是如果我们传入的表达式的计算结果为假，它就会像 stderr （标准错误输出）打印一条错误信息，然后调用 abort 函数直接终止程序的运行。

错误，是代码编写途中的缺陷导致的，是程序运行中可以用 if 语句检测出来的。而异常在我们的 C 语言中，一般也可以使用 if 语句判断，并进行对应的处理。而 assert 是用来判断我们程序中的代码级别的错误的。像用户输入错误，调用其他函数库错误，这些问题我们都是可以用 if 语句检测处理的。另一方面，使用 if 语句的程序对用户更友好。

在发布版程序中，所有的 assert 语句都会失效，所以不要使用会改变环境的语句作为断言函数的参数，这可能导致实际运行中出现问题。

调试信息的输出

我们可以用一个 Windows 操作系统提供的函数-OutputDebugString，在调试器的调试窗口上输出我们自己的调试信息。这个函数非常常用，它可以向调试输出窗口输出信息（无需设置断点，执行就会输出调试信息），并且一般只在绑定了调试器的情况下才会生效，否则会被 Windows 直接忽略。

首先，这个函数在 windows.h 中被定义，所以我们需要包含 windows.h 这个头文件才能使用 OutputDebugString 函数。这个函数的使用方式非常的简单，它只有简单的一个参数——我们要输出的调试信息。但是有一点值得注意：准确来说 OutputDebugString 并不是一个函数，他是一个宏。