五個 Linux 下用戶空間的調試工具

（題圖來自：axxomovies.org）

有幾個Linux下的用戶空間調試工具和技術，它們用來分析用戶空間的問題相當有用。它們是:

• 'print' 語句
• 查詢 (/proc, /sys 等)
• 跟蹤 (strace/ltrace)
• Valgrind (memwatch)
• GDB

讓我們一個個地了解。

1.'print' 語句

這是一個基本的原始的調試問題的方法。 我們可以在程序中插入print語句來了解控制流和變數值。 雖然這是一個簡單的技術， 但它有一些缺點。 程序需要進行編輯以添加'print'語句，然後必須重新編譯，重新運行來獲得輸出。 如果要調試的程序相當大，這是一個耗時的方法。

2. 查詢

在某些情況下，我們需要弄清楚在一個運行在內核中的進程的狀態和內存映射。為了獲得這些信息，我們不需要在內核中插入任何代碼。 相反，可以用 /proc 文件系統。

/proc 是一個偽文件系統，系統一啟動運行就收集著運行時系統的信息 (cpu信息, 內存容量等)。

'ls /proc'的輸出

正如你看到的, 系統中運行的每一個進程在/proc文件系統中有一個以進程id命名的項。每個進程的細節信息可以在進程id對應的目錄下的文件中獲得。

'ls /proc/pid'的輸出

解釋/proc文件系統內的所有條目超出了本文的範圍。一些有用的列舉如下：

• /proc/cmdline -> 內核命令行
• /proc/cpuinfo -> 關於處理器的品牌，型號信息等
• /proc/filesystems -> 文件系統的內核支持的信息
• /proc//cmdline -> 命令行參數傳遞到當前進程
• /proc//mem -> 當前進程持有的內存
• /proc//status -> 當前進程的狀態

3. 跟蹤

strace的和ltrace是兩個在Linux中用來追蹤程序的執行細節的跟蹤工具。

strace:

strace攔截和記錄系統調用及其接收的信號。對於用戶，它顯示了系統調用、傳遞給它們的參數和返回值。strace的可以附著到已在運行的進程或一個新的進程。它作為一個針對開發者和系統管理員的診斷、調試工具是很有用的。它也可以用來當做一個通過跟蹤不同的程序調用來了解系統的工具。這個工具的好處是不需要源代碼，程序也不需要重新編譯。

使用strace的基本語法是：

strace 命令

strace有各種各樣的參數。可以檢查看strace的手冊頁來獲得更多的細節。

strace的輸出非常長，我們通常不會對顯示的每一行都感興趣。我們可以用'-e expr'選項來過濾不想要的數據。

用 '-p pid' 選項來綁到運行中的進程.

用'-o'選項，命令的輸出可以被重定向到文件。

strace過濾成只有系統調用的輸出

ltrace:

ltrace跟蹤和記錄一個進程的動態（運行時）庫的調用及其收到的信號。它也可以跟蹤一個進程所作的系統調用。它的用法是類似與strace。

ltrace command

'-i' 選項在調用庫時列印指令指針。

'-S' 選項被用來現實系統調用和庫調用

所有可用的選項請參閱ltrace手冊。

ltrace捕捉'STRCMP'庫調用的輸出

4. Valgrind

Valgrind是一套調試和分析工具。它的一個被廣泛使用的默認工具——'Memcheck'——可以攔截malloc()，new()，free()和delete()調用。換句話說，它在檢測下面這些問題非常有用：

• 內存泄露
• 重釋放
• 訪問越界
• 使用未初始化的內存
• 使用已經被釋放的內存等。

它直接通過可執行文件運行。

Valgrind也有一些缺點，因為它增加了內存佔用，會減慢你的程序。它有時會造成誤報和漏報。它不能檢測出靜態分配的數組的訪問越界問題。

為了使用它，首先請下載並安裝在你的系統上。可以使用操作系統上的包管理器來安裝。

使用命令行安裝需要解壓縮和解包下載的文件。

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

進入新創建的目錄（的valgrind-XYZ）內運行以下命令：

./configure
make
make install

讓我們通過一個小程序(test.c)來理解valgrind怎麼工作的:

#include <stdio.h>

void f(void)

{
int x = malloc(10 * sizeof(int));

x[10] = 0;
}

int main()
{
f();
return 0;
}

編譯程序:

gcc -o test -g test.c

現在我們有一個可執行文件叫做'test'。我們現在可以用valgrind來檢測內存錯誤：

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

這是valgrind呈現錯誤的輸出：

valgrind顯示堆溢出和內存泄漏的輸出

正如我們在上面看到的消息，我們正在試圖訪問函數f未分配的內存以及分配尚未釋放的內存。

5. GDB

GDB是來自自由軟體基金會的調試器。它對定位和修復代碼中的問題很有幫助。當被調試的程序運行時，它給用戶控制權去執行各種動作， 比如:

• 啟動程序
• 停在指定位置
• 停在指定的條件
• 檢查所需信息
• 改變程序中的數據 等。

你也可以將一個崩潰的程序coredump附著到GDB並分析故障的原因。

GDB提供很多選項來調試程序。 然而，我們將介紹一些重要的選擇，來感受如何開始使用GDB。

如果你還沒有安裝GDB，可以在這裡下載：GDB官方網站。

編譯程序:

為了用GDB調試程序，必須使用gcc的'-g'選項進行編譯。這將以操作系統的本地格式產生調試信息，GDB利用這些信息來工作。

下面是一個簡單的程序（example1.c）執行被零除用來顯示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

調用 GDB:

通過在命令行中執行'gdb'來啟動gdb:

調用 gdb

調用後, 它將等待終端命令並執行，直到退出。

如果一個進程已經在運行，你需要將GDB連接到它上面，可以通過指定進程ID來實現。假設程序已經崩潰，要分析問題的原因，則用GDB分析core文件。

啟動程序:

一旦你在GDB裡面，使用'run'命令來啟動程序進行調試。

給程序傳參數:

使用'set args'給你的程序傳參數，當程序下次運行時將獲得該參數。'show args'將顯示傳遞給程序的參數。

檢查堆棧:

每當程序停止，任何人想明白的第一件事就是它為什麼停止，以及怎麼停在那裡的。該信息被稱為反向跟蹤。由程序產生每個函數調用和局部變數，傳遞的參數，調用位置等信息一起存儲在堆棧內的數據塊種，被稱為一幀。我們可以使用GDB來檢查所有這些數據。 GDB從最底層的幀開始給這些幀編號。

• bt: 列印整個堆棧的回溯
• bt 列印n個幀的回溯
• frame : 切換到指定的幀，並列印該幀
• up : 上移'n'個幀
• down : 下移'n'個幀 ( n默認是1)

檢查數據:

程序的數據可以在裡面GDB使用'print'命令進行檢查。例如，如果'x'是調試程序內的變數，'print x'會列印x的值。

檢查源碼:

源碼可以在GDB中列印。默認情況下，'list'命令會列印10行代碼。

• list : 列出'linenum'行周圍的源碼
• list : 從'function'開始列出源碼
• disas : 顯示該函數機器代碼

停止和恢復程序:

使用GDB，我們可以在必要的地方設置斷點，觀察點等來停止程序。

• break : 在'location'設置一個斷點。當在程序執行到這裡時斷點將被擊中，控制權被交給用戶。
• watch : 當'expr'被程序寫入而且它的值發生變化時GDB將停止
• catch : 當'event'發生時GDB停止
• disable : 禁用指定斷點
• enable : 啟用指定斷點
• delete : 刪除 斷點/觀察點/捕獲點。 如果沒有傳遞參數默認操作是在所有的斷點
• step: 一步一步執行程序
• continue: 繼續執行程序，直到執行完畢

退出 GDB:

用'quit'命令還從GDB中退出。

GDB還有更多的可用選項。裡面GDB使用help選項了解更多詳情。

在GDB中獲得幫助

總結

在這篇文章中，我們已經看到不同類型的Linux用戶空間的調試工具。總結以上所有內容，如下是什麼時候使用該什麼的快速指南：

• 基本調試，獲得關鍵變數 - print 語句
• 獲取有關文件系統支持，可用內存，CPU，運行程序的內核狀態等信息 - 查詢 /proc 文件系統
• 最初的問題診斷，系統調用或庫調用的相關問題，了解程序流程 – strace / ltrace
• 應用程序內存空間的問題 – valgrind
• 檢查應用程序運行時的行為，分析應用程序崩潰 – gdb

via: http://linoxide.com/linux-how-to/user-space-debugging-tools-linux/

作者：B N Poornima 譯者：mtunique 校對：wxy

本文由 LCTT 原創翻譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive