2.3 程序的调试

对于计算机系统来说，在屏幕或者其他设备上呈现内容、送出数据，这称为输出；通过键盘、鼠标或者其他设备得到内容和数据，这称为输入。但是，C语言并没有输入输出的能力，这并不是该语言的组成部分。

要输入或者输出内容，需要借助于操作系统，由它代理，但这并不是一件简单的事情。在最终实现这一功能之前，我们将通过另一种方法来观察程序的计算结果，那就是用调试器来调试一个程序。调试器是一个软件程序，它允许我们以各种方式控制程序的执行，例如单步执行每一条语句，并随时观察执行结果。对于有经验的程序员来说，调试器是必不可少的工具，因为我们很少会写出完全正确的程序，即使它非常简单。在这种情况下，就需要通过调试器来查找产生错误的原因。

在本书中，我们推荐的调试器是GDB，和GCC一样也是GNU开源项目的一部分。它的功能十分强大，但在这里无法一一展示，只能小试牛刀。下面以Windows平台为例，简单地演示一下调试一个可执行文件的过程。

首先，我们要用GCC来翻译c0201.c，翻译的时候使用选项“-g”，它的目的是向翻译后的可执行程序中添加包括源代码、符号表在内的调试信息，这些额外的内容将有助于GDB更好地完成调试工作：

              D:\exampls＞gcc c0201.c -o c0201.exe -g

这里，以正常字体显示的内容是Windows命令行的固有部分，通常为提示符或者调试器的输出内容；以粗体显示的部分是我们输入的命令，下同。

接下来是启动gdb并调试刚生成的程序c0201.exe：

              D:\exampls＞gdb c0201.exe -silent
              Reading symbols from c0201.exe...done.

选项-silent用于屏蔽gdb的前导信息，否则它会先在屏幕上打印一堆免责条款。启动gdb后，它输出的信息表明已经读入了c0201.exe的符号表。接下来，gdb会显示自己的提示符“（gdb）”，提示并等待你输入调试命令。

调试一个程序的时候，应该在我们关注的地方，或者在故障点的前边设置一个断点，让程序执行到这里停下来，这样我们就可以慢慢地用别的调试命令进行观察。在gdb中，设置断点的方法很多，包括在指定的内存地址处设置断点、在源代码的某一行设置断点、或者在某个函数的入口处设置断点，等等。设置断点的命令是“b”或者“break”，在这里我们是将main函数的入口处作为断点：

             （gdb）b main
              Breakpoint 1 at 0x40155d: file c0201.c, line 5.

b命令在执行后返回了断点的具体信息，也就是说，断点（main函数的入口位置）的内存地址为0x40155d，对应于源文件的第5行（也就是说，main函数位于源文件的第5行）。因此，如果我们用内存地址的方式来设置这个断点，则可以是

              b ＊ 0x40155d

星号“＊”意味着是以内存地址作为断点的。或者，如果用源代码行的形式设置这个断点，则可以是

              b 5

一旦设置了断点，下一步就是用“r”或者“run”命令执行被调试的程序，执行后会自动在第一个断点处停下来：

             （gdb）r
              Starting program: D:\exampls\c0201.exe
              [New Thread 1500.0x1e34]
              [New Thread 1500.0x2fb8]

              Thread 1 hit Breakpoint 1, main（）at c0201.c:5
              5             n = 1;

在运行了被调试的程序后，GDB的输出信息显示程序已经启动，下一个将要执行的语句是第5行的“n = 1;”。

注意，这条语句并没有执行，而仅仅是告诉你，再继续执行程序的话，执行的语句会是它。

在当前位置，变量n和sum已经分配，但并没有开始赋值。此时，这两个变量的值会是多少呢？我们可以使用“p”或者“print”命令来分别显示：

             （gdb）p n

              $1 = 16
             （gdb）p sum
              $2 = 11671024

GDB的p命令用于打印一个表达式的值，在这里是表达式n和sum。GDB先计算表达式的值，并把它保存在一个存储区中，存储区的名字用“$”外加数字来表示，并且这个数字会随着调试过程的进行而不断递增（这意味着存储区也是不断开辟的）。以上，第一个p命令执行后，GDB的回应是$1 = 16，意思是表达式n的值保存在$1中，其内容为16。

注意，在你的计算机上，变量n和sum的当前值可能和这里显示的不同。这很好理解，内存是反复使用的，当一个程序终止后，它占用的内存会分配给其他程序使用；当一个变量不再使用后，它占用的内存也会重新分配，并成为另一个变量。因为变量n和sum刚刚分配，还没有往里面保存任何数值，故它们的内容是随机的，是其他程序或者变量用过的垃圾值。

顺便说一下，既然$1是GDB用于保存计算结果的内部存储区的名字，那么我们也可以用p命令来打印它：

             （gdb）p $1
              $3 = 16

下面，我们将通过单步执行程序，来看一看变量n和sum赋值后的值。调试命令“n”或者“next”用于继续执行源文件中的下一行。

               （gdb）n
               6             sum = 0;

执行“n”命令后，实际执行的是第5行“n = 1;”，GDB显示下一个即将执行的源代码行，也就是第6行的“sum = 0;”。

因为此时已经往变量n写入了1，所以我们可继续用p命令来观察它现在的存储值：

             （gdb）p n
              $4 = 1

显然，经赋值后，变量n的值已经变成1。

继续执行下一条语句，实际执行的是第6行“sum = 0;”。执行后，GDB停下并显示下一条即将执行的源代码行，也即第8行的“while（n＜= 100）”，第7行为空行，所以直接跳过了：

             （gdb）n
              8             while（n ＜= 100）

刚才执行的语句是往变量sum保存数值0，故我们可以再次用p命令来观察变量sum现在的存储值，可发现它已经变成0：

             （gdb）p sum
              $5 = 0

继续用n命令执行下一个源代码行，则将计算while语句的控制表达式，并根据该表达式的值决定是否进入循环体，执行后GDB显示下一条即将执行的源代码行是第10行：

             （gdb）n
              10                 sum = sum + n;

进入循环体之后，我们想再看看变量n和sum的当前值。但这次使用p命令的方法不一样，这次是用花括号将表达式n和sum围住以形成一个集合。GDB允许用这种方式来一次性地打印多个表达式的值：

             （gdb）p {n, sum}
              $6 = {1, 0}

显然，变量n和sum此时的值依然分别为1和0。继续用n命令执行第10行，执行后GDB停留在即将执行的第11行：

             （gdb）n
              11                 n = n + 1;

注意，第10行已经执行完毕，但第11行还没有执行。猜猜看，变量n和sum此时的值是多少？猜测之后，用p命令看看结果是否如你所想：

             （gdb）p {n, sum}
              $7 = {1, 1}

继续用n命令执行下一个源代码行，这将执行第11行的“n = n + 1;”，执行后控制又回到了循环的起始处，也即第8行：

             （gdb）n
              8             while（n ＜= 100）

此时，变量n和sum的值各自会是多少？使用p命令打印一下就知道了：

             （gdb）p {n, sum}
              $8 = {2, 1}

因为现在处于一个循环体内，如果继续用n命令往下执行，则其过程与前面相比大同小异。前面已经循环过一次，本次循环完整的调试过程如下：

             （gdb）n
              10                 sum = sum + n;
             （gdb）n
              11                 n = n + 1;
             （gdb）n
              8             while（n ＜= 100）
             （gdb）p {n, sum}
              $9 = {3, 3}

显然，第二次循环过后，变量n的值为3，变量sum的值也是3。你可能已经发现了，我们现在进退维谷：如果继续用n命令执行，则将陷入循环，直到变量n的值等于101。

好在这也算不上什么大的问题，我们可以在循环语句的后面设置断点，然后命令程序一直执行，直至到达这个断点。为了搞清楚while语句的下一条语句的行号，我们需要列出源文件的内容，这需要使用“l”或者“list”命令：

             （gdb）l
              3             unsigned long long int n, sum;
              4
              5             n = 1;
              6             sum = 0;
              7
              8             while（n ＜= 100）
              9             {
              10                 sum = sum + n;
              11                 n = n + 1;
              12            }

l命令默认每次显示10行源代码，但我们关心的那一行显然还没有出来。为此，可继续使用l命令来显示后面的行：

             （gdb）l
              13
              14            return 0;
              15       }

好了，我们已经知道while语句之后是return语句，它的行号是14，现在就可以用b命令设置一个新的断点：

             （gdb）b 14
              Breakpoint 2 at 0x401583: file c0201.c, line 14.

现在，可以用一个新的命令“c”或者“continue”来持续执行程序，直至遇到断点或者程序结束。因为已经设置断点，故程序将持续执行，在第14行处停下：

             （gdb）c
              Continuing.

              Thread 1 hit Breakpoint 2, main（）at c0201.c:14
              14            return 0;

非常好，既然已经退出了while循环，说明累加过程已经成功结束，变量sum的值就是累加结果。我们来看看它到底是多少：

             （gdb）p {n, sum}
              $10 = {101, 5050}

显然，变量n的当前值是101，变量sum的当前值是5050，和高斯同学的结果一模一样。

本次调试即将结束，我们可以先用c命令让程序“跑完全程”，然后再用“q”或者“quit”结束本次调试工作，这将使得调试器GDB结束运行并返回到操作系统：

             （gdb）c
              Continuing.

              [Inferior 1（process 1500）exited normally]
             （gdb）q

              D:\exampls＞

即使是对于一个经验非常丰富的程序员来说，在编写程序的时候也避免不了出错。程序中的语法错误通常可以在翻译阶段就能被诊断出来，但逻辑错误却很难被发现和纠正，比如在解决问题时使用了错误或者不完备的方法。在这种情况下，调试器可能是唯一的救命稻草。通过设置适当的断点，你可以观察结果并和预期的结果进行比较以缩小问题代码的范围，并最终发现问题所在。

GDB是非常强大的工具，它的用法可以写一本厚厚的书，上述调试过程虽然只能说是蜻蜓点水、走马观花，但对于本书后续的讲解来说应该足够了。

练习2.1

1．你可曾想过如何检验关系运算符＜=的结果（或者说关系表达式的值）？很简单，将该表达式的值保存到一个变量，在调试器里设置断点并检查变量的值就可以办到。在下面的程序里，第一条语句是将表达式5＜= 6的值写入变量m；第二次是将表达式33＜= 32的值写入变量m。请编辑、保存、翻译并调试这个程序，在第一条语句那里设置断点，然后使用n命令和p命令观察变量m的值如何变化。注意：关系运算符的优先级高于赋值运算符。

              int main（void）
              {
                  int m;
                  m = 5 ＜= 6;
                  m = 33 ＜= 32;

                  return 0;
              }

2．在上一章里我们曾经说过，语句

              n = 1;
              sum = 0;

可以合并为一条语句：

              n =（sum = 0）+ 1;

请修改源文件c0201.c，将那两条语句替换为这条语句。然后，翻译并调试新生成的可执行文件，观察这条语句执行后变量n和sum的值是多少。