Арнольд Роббинс - Linux программирование в примерах
Однако, поскольку программисты люди, ошибки программирования неизбежны. Отладка является процессом обнаружения и устранения ошибок в программах. Даже хорошо спроектированные и хорошо реализованные программы иногда не работают; когда что-то идет не так и вы не можете выяснить, почему, хорошей мыслью является нацелить на код отладчик и понаблюдать за появлением ошибки.
Данная глава охватывает ряд тем, начиная с общих методик и советов по отладке (компилирование для отладки и элементарное использование GDB, отладчика GNU), переходя к ряду методик для использования при разработке и отладке программы, упрощающих отладку, и затем рассмотрением ряда инструментов, помогающих в процессе отладки. Глава завершается краткими сведениями по тестированию программного обеспечения и великолепным набором «правил отладки», извлеченных из книги, которую мы весьма рекомендуем.
Большая часть наших советов основана на нашем долгосрочном опыте участия в качестве добровольца в проекте GNU по поддержке gawk (GNU awk). Большинство, если не все, специфические примеры, которые мы представляем, происходят от этой программы. На протяжении главы особые рекомендации помечены словом Рекомендация.
15.1. Сначала главное
Когда программа ведет себя неправильно, вы можете быть в затруднении, что делать сначала. Часто странное поведение возникает из-за неправильного использования памяти — использования неинициализированных значений, чтения или записи за пределами динамической памяти и т.д. Поэтому вы можете быстрее получить результаты, попробовав средства отладки памяти до того, как заведете отладчик.
Довод заключается в том, что утилиты памяти могут указать вам непосредственно на вызывающую сбой строку кода, тогда как использование отладчика больше напоминает миссию «найти и уничтожить», в которой вам нужно сначала изолировать проблему, а затем исправить ее. Убедившись, что дело не в проблемах памяти, можно переходить к использованию отладчика.
Поскольку отладчик является более универсальным средством, мы рассмотрим его вначале. Далее в главе мы обсудим ряд инструментов для отладки памяти.
15.2. Компиляция для отладки
Для использования отладчика исходного кода, отлаживаемый исполняемый файл должен быть откомпилирован с опцией компилятора -g. Эта опция заставляет компилятор внедрять в объектный код дополнительные отладочные идентификаторы; то есть дополнительные сведения, содержащие имена и типы переменных, констант, функций и так далее. Отладчик затем использует эту информацию для приведения в соответствие местоположения исходного кода с исполняемым кодом и получения или сохранения значений переменных в работающей программе.
На многих системах Unix опция компилятора -g является взаимно исключающей с опцией -O, которая включает оптимизацию. Это потому, что оптимизации могут вызвать перестановку битов и участков объектного кода, так что больше не будет прямого соответствия с тем, что исполняется, и линейным прочтением исходного кода. Отменив оптимизации, вы значительно облегчаете отладчику установление связи между объектным и исходным кодом, и в свою очередь, пошаговое прохождение программы работает очевидным образом. (Пошаговое исполнение вскоре будет описано.)
GCC, GNU Compiler Collection (коллекция компиляторов GNU), на самом деле допускает совместное использование -g и -O. Однако, это привносит как раз ту проблему, которую мы хотим избежать при отладке: следование исполнению в отладчике становится значительно более трудным. Преимуществом совместного использования опций является то, что вы можете оставить отладочные идентификаторы в конечном оптимизированном исполняемом модуле. Они занимают лишь дисковое пространство, а не память. После этого установленный исполняемый файл все еще можно отлаживать при непредвиденных случаях.
По нашему опыту, если нужно использовать отладчик, лучше перекомпилировать приложение с самого начала, использовав лишь опцию -g. Это значительно упрощает трассировку; имеется достаточно деталей, за которыми нужно следить при простом прохождении написанной программы, не беспокоясь о том, как компилятор переставляет код.
Есть одно предостережение: убедитесь, что поведение программы все еще неправильное. Воспроизводимость является ключевой при отладке; если вы не можете воспроизвести проблему, гораздо труднее ее выследить и исправить. В редких случаях компиляция без опции -O может устранить ошибку[161]. Обычно проблема остается при компиляции без использования опции -O, что означает, что на самом деле действительно имеется какая-то разновидность логической ошибки, ждущая своего обнаружения.
15.3. Основы GDB
Отладчик является программой, позволяющей контролировать исполнение другой программы и исследовать и изменять состояние подчиненной программы (такое, как значения переменных). Имеются два вида отладчиков: отладчики машинного уровня, работающие на уровне машинных инструкций, и отладчики исходного кода, работающие на основе исходного кода программы. Например, в отладчике машинного уровня для изменения значения переменной вы указываете адрес в памяти. В отладчике исходного уровня вы просто используете имя переменной.
Исторически в V7 Unix был adb, который являлся отладчиком машинного уровня В System III был sdb, который являлся отладчиком исходного кода, a BDS Unix предоставляла dbx, также отладчик исходного кода. (Обе продолжали предоставлять adb.) dbx продолжает существовать на некоторых коммерческих системах Unix.
GDB, отладчик GNU, является отладчиком исходного кода. У него значительно больше возможностей, он значительно более переносим и более практичен, чем любой из sdb или dbx[162].
Как и его предшественники, GDB является отладчиком командной строки. Он выводит по одной строке исходного кода за раз, выдает приглашение и читает одну строку ввода, содержащего команду для исполнения.
Имеются графические отладчики; они предоставляют больший обзор исходного кода и обычно предоставляют возможность манипулировать программой как из окна командной строки, так и через компоненты GUI, такие, как кнопки и меню. Отладчик ddd[163] является одним из таких; он построен поверх GDB, так что если вы изучите GDB, вы сразу же сможете начать использовать ddd. (У ddd есть собственное руководство, которое следует прочесть, если вы собираетесь интенсивно его использовать.) Другим графическим отладчиком является Insight[164], который использует для предоставления поверх GDB графического интерфейса Tcl/Tk. (Следует использовать графический отладчик, если он доступен и нравится вам. Поскольку мы собираемся предоставить введение в отладчики и отладку, мы выбрали использование простого интерфейса, который можно представить в напечатанном виде.)
GDB понимает С и С++, включая поддержку восстановления имен (name demangling), что означает, что вы можете использовать для функций-членов классов и перегруженных функций обычные имена исходного кода С++. В частности, GDB распознает синтаксис выражений С, что полезно при проверке значения сложных выражений, таких, как '*ptr->x.a[1]->q'. Он понимает также Fortran 77, хотя вам может понадобиться добавить к имени функции или переменной Фортрана символ подчеркивания GDB также частично поддерживает Modula-2 и имеет ограниченную поддержку Паскаля.
Если вы работаете на системе GNU/Linux или BSD (и установили средства разработки), у вас, вероятно, уже установлена готовая к использованию последняя версия GDB. Если нет, исходный код GDB можно загрузить с FTP-сайта проекта GNU для GDB[165] и самостоятельно его построить.
GDB поставляется с собственным руководством, которое занимает 300 страниц. В каталоге исходного кода GDB можно сгенерировать печатную версию руководства и самостоятельно его распечатать. Можно также купить в Free Software Foundation (FSF) готовые печатные экземпляры; ваша покупка поможет FSF и непосредственно внесет вклад в производство большего количества свободного программного обеспечения. (Информацию для заказа см. на веб-сайте FSF)[166]. Данный раздел описывает лишь основы GDB; мы рекомендуем прочесть руководство, чтобы научиться использовать все преимущества возможностей GDB.
15.3.1. Запуск GDB
Основное использование следующее:
gdb [опции][исполняемый файл [имя файла дампа]]
Здесь исполняемый файл является отлаживаемой программой. Имя файла дампа, если оно имеется, является именем файла core, созданном при завершении программы операционной системой с созданием снимка процесса. Под GNU/Linux такие файлы (по умолчанию) называются core.pid[167], где pid является ID процесса запущенной программы, которая была завершена. Расширение pid означает, что в одном каталоге могут находиться несколько дампов ядра, что бывает полезно, но также занимает дисковое пространство!
