C++(Qt)软件调试---qmake编译优化和生成调试信息（9）

C++(Qt)软件调试—qmake编译优化和生成调试信息（9）

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C++软件调试、异常定位
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1、前言

1.1 编译器优化是什么

编译器编译优化是指编译器在编译源代码为目标代码的过程中，通过对代码结构和语义的分析，自动优化目标代码的生成方式，编译器编译优化可以提高程序的性能和可靠性，但也可能会对程序的可读性和可维护性产生负面影响。因此，开发者需要在代码调试和维护的过程中进行权衡和选择，以获得最佳的程序性能和开发效率。

编译优化主要包括以下几个方面：

1. 算法优化：通过优化算法的复杂度，减少程序执行的时间和空间消耗。
2. 代码优化：通过优化代码的结构、指令的选择和数据存储方式等，减少程序执行的时间和空间消耗。
3. 循环优化：通过分析循环结构，优化循环的执行过程，减少循环的执行时间和空间消耗。
4. 内联函数优化：通过将函数的代码直接嵌入到调用该函数的代码中，减少函数调用的开销，提高程序的执行效率。
5. 代码生成优化：通过对目标代码的生成方式进行优化，减少目标代码的大小和执行时间。

1.2 调试信息是什么

• C++调试信息是在编译C++程序时生成的一些附加信息，它包括了程序中各个变量、函数以及类的定义和使用等详细信息。

• 调试信息可以帮助开发人员在程序运行时快速定位和解决问题，特别是在出现崩溃、错误或异常情况时，可以帮助开发人员追踪到具体的代码行数和错误原因。

• 调试信息可以通过编译器选项来开启和关闭，通常在开发和测试阶段开启，而在正式发布时关闭。

1.3 测试环境

系统环境：ubuntu22.04、Windows10；

编译器：g++ (Ubuntu 11.3.0-1ubuntu1~22.04) 11.3.0、MinGW7.3.0 64-bit、MSVC2017-64；

2、Qt编译模式说明

Qt是一个跨平台的GUI应用程序框架，支持C++编程语言。Qt提供了三种不同的构建模式：Debug、Profile和Release，每种模式都有不同的用途和优化级别。

有的Bug只有在Release模式下才能存在或者只有在Debug模式下高性能运行才能出现，这时就需要我们通过修改编译器选项来进行调试。

1. Debug模式

Debug模式是开发阶段使用的模式，旨在提供最好的调试工具支持。

在Debug模式下，编译器会生成完整的符号表和调试信息，以便在程序崩溃或出现错误时，开发人员可以轻松地跟踪和调试代码。

此外，Debug模式还会关闭代码优化，以确保程序的行为与代码的预期行为一致。

因此，Debug模式下生成的可执行文件通常比其他模式下的可执行文件更大。

使用MSVC编译器时会生成符号表PDB文件；

使用GCC、MinGW编译器时会将调试信息全部写入可执行程序中，所以可执行程序比较大。

2. Profile模式

Profile模式是用于性能分析的模式。（相当于Release模式下增加调试信息，使用的也是Release的库）

在Profile模式下，编译器会生成符号表和调试信息，但会开启一些代码优化，以提高程序的性能。

此外，编译器还会为程序生成额外的性能分析信息，以便开发人员可以查看程序的性能瓶颈和优化程序。

因此，Profile模式下生成的可执行文件比Debug模式下的文件稍小。

使用MSVC编译器时会生成符号表PDB文件；

使用GCC、MinGW编译器时会将调试信息写到一个.debug文件中，对可执行程序影响不大。

3. Release模式

Release模式是用于发布的模式。

在Release模式下，编译器会进行更加严格的代码优化，以提高程序的性能和减小程序的大小。

此外，编译器还会删除符号表和调试信息，以减小可执行文件的大小。

因此，Release模式下生成的可执行文件比Debug和Profile模式下的文件更小，但不适合调试。

总的来说，Debug、Profile和Release模式都有各自的优点和缺点。

在开发过程中，建议使用Debug模式进行调试，以便更容易地查找和修复错误。

在发布之前，建议使用Profile模式进行性能分析和优化，并使用Release模式发布程序以提高程序的性能和减小程序的大小。

3、比较Linux下Qt三种编译模式

1.1 编译生成文件比较

• 如下图所示：

  • Debug模式编译生成的可执行程序非常大；
  • Release模式生成的可执行程序很小，几乎只有Debug模式的1/30；
  • Profile模式生成的可执行程序和Release模式的差不多大，但是额外生成了一个.debug文件，包含了调试信息。

  

1.2 编译器配置比较

1. 在Linux下Qt编译后会将QMake的pro文件转换为make使用的Makefile文件，可以通过对比Debug、Profile、Release三种模式编译生成的Makefile文件，了解这三个模式干了啥，有什么区别；

2. 打开一个生成的Makefile文件，下图中框选部分就是编译器、选项的配置所在；

   

3. 下图中比较了Debug模式和Release模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • Debug模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用-g参数生成调试信息，默认为-g2，没有指定优化参数-O则默认关闭优化。
   • Release模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用了-O2参数开启了编译优化，没有使用-g参数则默认不生成调试信息；
     • LFLAGS：增加了-O1参数表示链接器开启了1级别编译优化。

   

4. 下图中比较了Debug模式和Profile模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Profile模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Profile模式在Debug模式的基础上使用了-O2参数开启了编译优化，同时使用-g参数生成调试信息；

   

5. 下图中比较了Release模式和Profile模式的区别，左侧为Profile模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Release和Profile都使用了-O2参数开启了编译优化，Profile增加了使用-g参数生成调试信息；
   • LFLAGS：相对于Release，Profile没有使用-O1参数，关闭了链接器优化。

   

1.3 调试效果比较

1. 新建一个Qt工程，在程序中添加下面测试代码；

   inline void test()
   {
       int* a = nullptr;
       *a = 10;
   }
   
   void Widget::on_pushButton_clicked()
   {
       test();
   }
   

2. 切换为Release模式，点击调试运行；

   [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HVHauCcp-1681024688399)(C++(Qt)]软件调试—Qt编译优化和生成调试信息（9）.assets/image-20230409101100262.png)

3. 程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常位置：Widget::on_pushButton_clicked() 0x555555557714

   

4. 切换为Profile模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：void Widget::on_pushButton_clicked()；
   • 异常所在行号：25行；
   • 并且直接在源码中定位到异常所在行号，可以看出定位的异常位置是调用test()函数的位置，而不是准确的异常位置。

   

5. 切换为Debug模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：inline void test()；
   • 异常所在行号：20行；
   • 并且直接在源码中定位到异常所在行号，可以看出定位的异常位置就是实际错误的位置，没有出现偏差。

   

1.4 GDB调试Profile程序

1. 由于Qt在Profile模式编译时将调试信息额外写入到了.debug文件，所以在使用GDB调试时需要指定加载.debug文件才可以调试程序；

2. 以下是使用GDB调试程序时如何使用.debug文件的详细说明：

   1. 确保可执行文件和.debug文件都在同一目录中。

   2. 启动GDB并加载可执行文件：

      gdb test
      

   3. GDB加载.debug文件：

      symbol-file test.debug
      

   4. 开始运行程序：

      run
      

4、比较Windows下Qt - Mingw三种编译模式

1.1 编译生成文件比较

• 如下图所示：

  • Debug模式编译生成的可执行程序非常大；
  • Release模式生成的可执行程序很小，几乎只有Debug模式的1/43；
  • Profile模式生成的可执行程序是Release模式的差不多2.7被，还额外生成了一个.debug文件，包含了调试信息。
  • 从比较结果看明显和linux下不一样，虽然说Mingw也是GCC，但是Qt使用Mingw和GCC肯定还是有一些区别。

  

1.2 编译器配置比较

1. 在Windows下打开编译生成的build*文件夹会发现，和Linux下有很大区别，如下图所示，多了两个release、debug文件夹，又多了Makefile.Release、Makefile.Debug文件，到底是使用Makefile.Release、Makefile.Debug还是Makefile文件呢？

   

2. 打开Makefile文件会发现没有编译器配置项；

   

3. 其实编译器配置项都在Makefile.Release和Makefile.Debug中，那使用哪一个呢，其实这里有一个判断的小技巧，打开debug和release文件夹，哪个文件夹里有编译的中间文件就使用哪一个，一般情况下Debug模式编译就会在debug文件夹下生成中间文件，使用的就是Makefile.Debug文件，而Release模式下编译就会在release文件夹下生成编译的中间文件，使用Makefile.Release，那Profile模式呢，打开build-untitled5-Desktop_Qt_5_12_5_MinGW_64_bit-Release文件夹，在里面的release文件夹中发现有编译生成的中间文件，就说明使用的是Makefile.Release文件进行编译的。

4. 下图中比较了Debug模式和Release模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • Debug模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用-g参数生成调试信息，默认为-g2，没有指定优化参数-O则默认关闭优化。
   • Release模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用了-O2参数开启了编译优化，没有使用-g参数则默认不生成调试信息；
     • LFLAGS：增加了-s参数从可执行文件中删除所有符号表和重新定位信息。（这里和Linux下不一样）

   

5. 下图中比较了Debug模式和Profile模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Profile模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Profile模式在Debug模式的基础上使用了-O2参数开启了编译优化，同时使用-g参数生成调试信息；

   

6. 下图中比较了Release模式和Profile模式的区别，左侧为Profile模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Release和Profile都使用了-O2参数开启了编译优化，Profile增加了使用-g参数生成调试信息；
   • LFLAGS：相对于Release，Profile没有使用-s参数从可执行文件中删除所有符号表和重新定位信息。

   

1.3 调试效果比较

1. 使用相同的测试代码。

2. 切换为Release模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常位置：0x401720
   • 由于Release模式编译使用了-s参数，所以异常位置除了地址什么都看不到。

   

3. 切换为Profile模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：void Widget::on_pushButton_clicked()；
   • 异常所在行号：25行；
   • 并且直接在源码中定位到异常所在行号，可以看出定位的异常位置是调用test()函数的位置，而不是准确的异常位置，这时因为Profile使用了-O2参数优化编译，导致内联函数被展开了。

   

4. 切换为Debug模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 错误类型：段错误；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：inline void test()；
   • 异常所在行号：20行；
   • 成功定位到源码中使用空指针的一行。

   

5、比较Windows下Qt - MSVC三种编译模式

1.1 编译生成文件比较

• 如下图所示：

  • Debug模式编译产生了三个文件，exe、ilk、pdb，生成的可执行程序只是比Release模式编译的可执行程序大两倍多一点，；
  • Release模式编译只生成了一个exe，生成的可执行程序很小比较小，只有29k；
  • Profile模式编译生成了两个文件，exe和pdb，生成的可执行程序和Release模式的一样大。

  

1.2 编译器配置比较

1. 下图中比较了Debug模式和Release模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • Debug模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用-Zi参数生成调试信息，没有指定优化参数-O则默认关闭优化，-MDd是指定-MD的Debug库。
     • LFLAGS：使用了/DEBUG参数，将链接对象和库文件中的调试信息放入程序数据库 (PDB) 文件。 它会在程序的后续生成期间更新 PDB（使用了这个参数后-Zi才有效），指定 /DEBUG 时隐式使用 /INCREMENTAL。
   • Release模式：
     • CFLAGS、CXXFLAGS：使用了-O2参数开启了编译优化，没有使用-Zi参数则默认不生成调试信息；
     • LFLAGS：使用了/INCREMENTAL:NO参数，未选择增量链接，不会生成.ilk文件。

   

2. 下图中比较了Debug模式和Profile模式的区别，左侧为Debug模式，右侧为Profile模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Debug和Profile都使用-Zi参数生成调试信息，Profile使用了优化参数-O2开启编译优化。
   • LFLAGS：Debug和Profile都使用了/DEBUG参数生成PDB文件，并且Profile中使用了/INCREMENTAL:NO参数，未选择增量链接，使用了/OPT:REF参数开启了链接器优化，清除从未引用的函数和数据（称为 COMDAT）。

   

3. 下图中比较了Profile模式和Release模式的区别，左侧为Profile模式，右侧为Release模式，主要对比CFLAGS、CXXFLAGS、LFLAGS这三个变量；

   • CFLAGS、CXXFLAGS：Debug和Profile都使用-O2参数开启编译优化，Profile使用了-Zi参数生成调试信息。
   • LFLAGS：相对于Release，Profile使用了/DEBUG参数生成PDB文件，使用了/OPT:REF参数开启了链接器优化，清除从未引用的函数和数据（称为 COMDAT）。

   

1.3 调试效果比较

1. 使用相同的测试代码。

2. 切换为Release模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 异常代码：0x0000005（表示”访问冲突异常“或者”内存访问异常“）；
   • 异常信息：写入访问冲突发生在：0x0（基本表示是空指针）；
   • 异常位置：0x7ff65fbb1222
   • 由于Release模式编译开启了编译优化，未生成调试信息，所以异常位置除了地址什么都看不到。

   

3. 切换为Profile模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 异常代码：0x0000005（表示”访问冲突异常“或者”内存访问异常“）；
   • 异常信息：写入访问冲突发生在：0x0（基本表示是空指针）；
   • 异常位置：0x7ff65fbb1222；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：void Widget::on_pushButton_clicked()；
   • 异常所在行号：31 （不准确）；
   • 在两个button的槽函数中都有使用到test()函数，运行时点击的是button1，提示的异常函数名称正确，但是异常行号和在代码中定位的异常位置却是在button2的槽函数中，存在误差。

   

4. 切换为Profile模式，点击调试运行，程序运行起来后点击触发测试代码的按键，如下图所示，可以看出：

   • 异常代码：0x0000005（表示”访问冲突异常“或者”内存访问异常“）；
   • 异常信息：写入访问冲突发生在：0x0（基本表示是空指针）；
   • 异常位置：0x7ff622694210；
   • 异常所在文件：widget.cpp；
   • 异常所在函数：void Widget::on_pushButton_clicked()；
   • 异常所在行号：20；
   • 成功定位到源码中使用空指针的一行。

   

6、Qt编译器链接器配置用到的变量

• 更多详细变量

1. C语言编译器使用：
   1. QMAKE_CC：指定在构建包含C源代码的项目时将使用的C编译器。
   2. QMAKE_CFLAGS：指定用于构建项目的C编译器标志（选项）。适用于Debug和Release模式，这个变量的值通常由qmake或qmake.conf处理，很少需要修改。
   3. QMAKE_CFLAGS_RELEASE_WITH_DEBUGINFO：为Profile模式指定c编译器标志。（profile就是带调试信息的Release模式）
   4. QMAKE_CFLAGS_DEBUG：为Debug模式指定C编译器标志。
   5. QMAKE_CFLAGS_RELEASE：指定Release模式的C编译器标志。
2. C++编译器使用：
   1. QMAKE_CXX：指定在构建包含c++源代码的项目时将使用的c++编译器。
   2. QMAKE_CXXFLAGS：指定用于构建项目的c++编译器标志（选项）。适用于Debug和Release模式，这个变量的值通常由qmake或qmake.conf处理，很少需要修改。
   3. QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE_WITH_DEBUGINFO：为Profile模式指定c++编译器标志。（profile就是带调试信息的Release模式）
   4. QMAKE_CXXFLAGS_DEBUG：为Debug模式指定c++编译器标志。
   5. QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE：为Release模式指定c++编译器标志。
3. 链接器使用：
   1. QMAKE_LFLAGS：指定传递给链接器的一组通用标志。如果需要更改用于特定平台或项目类型的标志，请使用专用变量之一而不是此变量。
   2. QMAKE_LFLAGS_CONSOLE：指定用于生成控制台程序的链接器标志。（仅在 Windows 上使用）
   3. QMAKE_LFLAGS_DEBUG：指定Debug版本的链接器标志。
   4. QMAKE_LFLAGS_PLUGIN：指定用于生成插件的链接器标志。
   5. QMAKE_LFLAGS_RPATH：指定使用来自QMAKE_RPATHDIR的值所需的链接器标志。（仅在 Unix 平台上使用）
   6. QMAKE_LFLAGS_RELEASE：指定Release版本的链接器标志。
   7. QMAKE_LFLAGS_APP：指定用于生成应用程序的链接器标志。
   8. QMAKE_LFLAGS_WINDOWS：指定用于生成 Windows GUI 项目（即非控制台应用程序）的链接器标志。（仅在 Windows 上使用）

7、Qt在Release模式下关闭优化生成调试信息配置

• 将下列代码加入到工程的Pro文件中可以支持在GCC、MinGW、MSVC编译器的Release模式下关闭优化，生成调试信息。

• 注意：下列代码仅使用于调试，会降低程序性能，如果要发布程序最好将下面代码注释掉再编译。

  msvc:CONFIG(release, debug|release) {
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   -= -O2              # 取消C优化
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   += -Zi              # 生成调试信息，放到pdb文件中
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE -= -O2              # 取消C++优化
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE += -Zi              # 生成调试信息
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   -= /INCREMENTAL:NO  # 选择增量链接
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   += /DEBUG           # 将调试信息放到PDB文件中
  message(MSVC编译器Release关闭优化，生成调试信息使用)
  }
  
  mingw:CONFIG(release, debug|release) {
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   -= -O2              # 取消C优化
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   += -O0              # 显示指定禁止优化
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   += -g               # 生成C调试信息
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE -= -O2              # 取消C++优化
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE += -O0              # 显示指定禁止优化
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE += -g               # 生成C++调试信息
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   -= -Wl,-s           # 取消Release模式删除所有符号表和重新定位信息的设置
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   += -g               # 链接器生成调试信息
  message(Mingw编译器Release关闭优化，生成调试信息使用)
  }
  
  # 如果不加unix，MinGW也会进入这里
  unix:gcc:CONFIG(release, debug|release) {
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   -= -O2              # 取消C优化
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   += -O0              # 显示指定禁止优化
  QMAKE_CFLAGS_RELEASE   += -g               # 生成C调试信息
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE -= -O2              # 取消C++优化
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE += -O0              # 显示指定禁止优化
  QMAKE_CXXFLAGS_RELEASE += -g               # 生成C++调试信息
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   -= -Wl,-O1          # 取消Release模式链接器优化
  QMAKE_LFLAGS_RELEASE   += -g               # 链接器生成调试信息
  message(GCC编译器Release关闭优化，生成调试信息使用)
  }
  

8、总结

通过查看Qt编译生成的Makefile文件可以学习到Qt内部对不同编译模式做了哪些工作；

Qt默认的三种编译模式基本可以适用于大部分开发调试的场景；

当我们遇见特殊的问题时就需要手动修改编译器选项，在程序编译时选择合适的优化参数和生成调试信息参数，在运行性能、程序大小、调试方便三个方向进行权衡利弊。

例如在不需要考虑性能时可以完全关闭优化，生成尽可能多的调试信息，以方便调试；

而有些程序运行需要一定的性能，就可以选择开启一定较低级别的优化。

文章中所述内容多有不足，欢迎一起交流学习。