[转]五个Linux下用户空间的调试工具

有几个Linux下的用户空间调试工具和技术，它们用来分析用户空间的问题相当有用。它们是:

'print' 语句
查询 (/proc, /sys 等)
跟踪 (strace/ltrace)
Valgrind (memwatch)
GDB

让我们一个个地了解。

1.'print' 语句

这是一个基本的原始的调试问题的方法。我们可以在程序中插入print语句来了解控制流和变量值。虽然这是一个简单的技术，但它有一些缺点。程序需要进行编辑以添加'print'语句，然后必须重新编译，重新运行来获得输出。如果要调试的程序相当大，这是一个耗时的方法。

2. 查询

在某些情况下，我们需要弄清楚在一个运行在内核中的进程的状态和内存映射。为了获得这些信息，我们不需要在内核中插入任何代码。相反，可以用 /proc 文件系统。

/proc 是一个伪文件系统，系统一启动运行就收集着运行时系统的信息 (cpu信息, 内存容量等)。

'ls /proc'的输出

正如你看到的, 系统中运行的每一个进程在/proc文件系统中有一个以进程id命名的项。每个进程的细节信息可以在进程id对应的目录下的文件中获得。

'ls /proc/pid'的输出

解释/proc文件系统内的所有条目超出了本文的范围。一些有用的列举如下：

/proc/cmdline -> 内核命令行
/proc/cpuinfo -> 关于处理器的品牌，型号信息等
/proc/filesystems -> 文件系统的内核支持的信息
/proc/<pid>/cmdline -> 命令行参数传递到当前进程
/proc/<pid>/mem -> 当前进程持有的内存
/proc/<pid>/status -> 当前进程的状态

3. 跟踪

strace的和ltrace是两个在Linux中用来追踪程序的执行细节的跟踪工具。

strace:

strace拦截和记录系统调用及其接收的信号。对于用户，它显示了系统调用、传递给它们的参数和返回值。strace的可以附着到已在运行的进程或一个新的进程。它作为一个针对开发者和系统管理员的诊断、调试工具是很有用的。它也可以用来当做一个通过跟踪不同的程序调用来了解系统的工具。这个工具的好处是不需要源代码，程序也不需要重新编译。

使用strace的基本语法是：

strace 命令

strace有各种各样的参数。可以检查看strace的手册页来获得更多的细节。

strace的输出非常长，我们通常不会对显示的每一行都感兴趣。我们可以用'-e expr'选项来过滤不想要的数据。

用 '-p pid' 选项来绑到运行中的进程.

用'-o'选项，命令的输出可以被重定向到文件。

strace过滤成只有系统调用的输出

ltrace:

ltrace跟踪和记录一个进程的动态（运行时）库的调用及其收到的信号。它也可以跟踪一个进程所作的系统调用。它的用法是类似与strace。

ltrace command

'-i' 选项在调用库时打印指令指针。

'-S' 选项被用来现实系统调用和库调用

所有可用的选项请参阅ltrace手册。

ltrace捕捉'STRCMP'库调用的输出

4. Valgrind

Valgrind是一套调试和分析工具。它的一个被广泛使用的默认工具——'Memcheck'——可以拦截malloc()，new()，free()和delete()调用。换句话说，它在检测下面这些问题非常有用：

内存泄露
重释放
访问越界
使用未初始化的内存
使用已经被释放的内存等。

它直接通过可执行文件运行。

Valgrind也有一些缺点，因为它增加了内存占用，会减慢你的程序。它有时会造成误报和漏报。它不能检测出静态分配的数组的访问越界问题。

为了使用它，首先请下载并安装在你的系统上。可以使用操作系统上的包管理器来安装。

使用命令行安装需要解压缩和解包下载的文件。

tar -xjvf valgring-x.y.z.tar.bz2 (where x.y.z is the version number you are trying to install)

进入新创建的目录（的valgrind-XYZ）内运行以下命令：

./configure
make
make install

让我们通过一个小程序(test.c)来理解valgrind怎么工作的:

#include <stdio.h>
void f(void)
{
int x = malloc(10 * sizeof(int));
x[10] = 0;
}
int main()
{
f();
return 0;
}

编译程序:

gcc -o test -g test.c

现在我们有一个可执行文件叫做'test'。我们现在可以用valgrind来检测内存错误：

valgrind –tool=memcheck –leak-check=yes test

这是valgrind呈现错误的输出：

valgrind显示堆溢出和内存泄漏的输出

正如我们在上面看到的消息，我们正在试图访问函数f未分配的内存以及分配尚未释放的内存。

5. GDB

GDB是来自自由软件基金会的调试器。它对定位和修复代码中的问题很有帮助。当被调试的程序运行时，它给用户控制权去执行各种动作，比如:

启动程序
停在指定位置
停在指定的条件
检查所需信息
改变程序中的数据等。

你也可以将一个崩溃的程序coredump附着到GDB并分析故障的原因。

GDB提供很多选项来调试程序。然而，我们将介绍一些重要的选择，来感受如何开始使用GDB。

如果你还没有安装GDB，可以在这里下载：GDB官方网站。

编译程序:

为了用GDB调试程序，必须使用gcc的'-g'选项进行编译。这将以操作系统的本地格式产生调试信息，GDB利用这些信息来工作。

下面是一个简单的程序（example1.c）执行被零除用来显示GDB的用法:

#include
int divide()
{
int x=5, y=0;
return x / y;
}
int main()
{
divide();
}

展示GDB用法的例子

调用 GDB:

通过在命令行中执行'gdb'来启动gdb:

调用 gdb

调用后, 它将等待终端命令并执行，直到退出。

如果一个进程已经在运行，你需要将GDB连接到它上面，可以通过指定进程ID来实现。假设程序已经崩溃，要分析问题的原因，则用GDB分析core文件。

启动程序:

一旦你在GDB里面，使用'run'命令来启动程序进行调试。

给程序传参数:

使用'set args'给你的程序传参数，当程序下次运行时将获得该参数。'show args'将显示传递给程序的参数。

检查堆栈:

每当程序停止，任何人想明白的第一件事就是它为什么停止，以及怎么停在那里的。该信息被称为反向跟踪。由程序产生每个函数调用和局部变量，传递的参数，调用位置等信息一起存储在堆栈内的数据块种，被称为一帧。我们可以使用GDB来检查所有这些数据。 GDB从最底层的帧开始给这些帧编号。

bt: 打印整个堆栈的回溯
bt 打印n个帧的回溯
frame : 切换到指定的帧，并打印该帧
up : 上移'n'个帧
down : 下移'n'个帧 ( n默认是1)

检查数据:

程序的数据可以在里面GDB使用'print'命令进行检查。例如，如果'x'是调试程序内的变量，'print x'会打印x的值。

检查源码:

源码可以在GDB中打印。默认情况下，'list'命令会打印10行代码。

list : 列出'linenum'行周围的源码
list : 从'function'开始列出源码
disas : 显示该函数机器代码

停止和恢复程序:

使用GDB，我们可以在必要的地方设置断点，观察点等来停止程序。

break : 在'location'设置一个断点。当在程序执行到这里时断点将被击中，控制权被交给用户。
watch : 当'expr'被程序写入而且它的值发生变化时GDB将停止
catch : 当'event'发生时GDB停止
disable : 禁用指定断点
enable : 启用指定断点
delete : 删除断点/观察点/捕获点。如果没有传递参数默认操作是在所有的断点
step: 一步一步执行程序
continue: 继续执行程序，直到执行完毕

退出 GDB:

用'quit'命令还从GDB中退出。

GDB还有更多的可用选项。里面GDB使用help选项了解更多详情。

在GDB中获得帮助

总结

在这篇文章中，我们已经看到不同类型的Linux用户空间的调试工具。总结以上所有内容，如下是什么时候使用该什么的快速指南：

基本调试，获得关键变量 - print 语句
获取有关文件系统支持，可用内存，CPU，运行程序的内核状态等信息 - 查询 /proc 文件系统
最初的问题诊断，系统调用或库调用的相关问题，了解程序流程 – strace / ltrace
应用程序内存空间的问题 – valgrind
检查应用程序运行时的行为，分析应用程序崩溃 – gdb