[置顶] 用gdb来学习c语言（linux环境下）

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原文地址：https://www.hackerschool.com/blog/5-learing-c-with-gdb

前几天在hacknews上看到这篇文章，发现它对C的初学者来说很有帮助。所以就尝试的翻译，粘贴在这里。限本人的英文水平和技术水平有限，有些地方可能翻译的不准，敬请见谅啊！

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拥有Ruby，Scheme或者Haskell等高级语言背景的程序员学习c语言可能会非常有挑战性。特别是学习内存管理和指针等C的低级语言特征时，你没有REPL（read–eval–print loop）环境。一旦你习惯了用REPL来探索你的程序，那么write-compile-runloop编程的编程模式则可能会令你非常失望。

最近我发现我可以用gdb（一个C的伪REPL工具）。现在我一直在尝试使用gdb作为一种工具来学习C的，而不是仅仅调试C，而且这样非常有趣。

我的写这篇文章的目标是给你证明gdb是一个非常伟大的学习C的工具。我会介绍一些我最喜欢的GBD的指令，后面我会说明你怎么利用gdb来理解C语言中出了名的难理解的部分——指针和数据的区别。

gdb的使用介绍

先创建一个如下的C程序，minimal.c

int main()

{

    int i = 1337;

    return0;

}

这个程序不做任何事情并且没有一个printf语句。现在我们要鼓足勇气来通过gdb学习C语言了！

编译这个程序时加上-g参数，这样gdb就可以调试信息了。然后执行下面命令。

$ gcc -g minimal.c -o minimal

$ gdb minimal

你会发现你已经看到了gdb的prompt。我许诺过给你一个REPL，这里就是

(gdb) print 1 + 2

$1 = 3

真令人惊讶！GDB建立了一个print，并且打印出了一个C的表达式。如果你不能确定一个GDB指令到底的功能，可以试着在GDB prompt下执行help name-of-the-command。

这里有一些更有趣的示例：

(gbd) print (int) 2147483648

$2 = -2147483648

我们先忽略为什么2147483648 == -2147483648。这里的重点是甚至一个计算在C中都可能会非常棘手，而GDB了解C的计算。

现在我们来在main函数中设置一个断点，然后开始运行程序：

(gdb) break main

(gdb) run

这个程序在第3行，变量i被初始化的时候时候暂停了。尽管i还没有被初始化，我们仍然可以用print命令看到它的值。

(gdb) print i

$3 = 32767

在C中，没有被初始化的局部变量的值是被定义的，所以你的GDB可能会打印出不同的值来！

我们可以用next 命令来执行当前行：

(gdb) next

(gdb) print i

$4 = 1337

用x命令查看内存

变量在c内存标签连续块。一个变量的内存块是由两个数字来决定的——块的第一个byte的地址和块的大小（以bytes为单位）。变量的大小是由变量的类型决定的。

一个C的特性是你需要直接访问变量的内存块。&运算符可以计算出一个变量的地址，而sizeof运算符可一个计算出变量占用的内存大小。

你可以在GDB中玩转这两个概念：

(gdb) print &i

$5 = (int *) 0x7fff5fbff584

(gdb) print sizeof(i)

$6 = 4

总而言之，i的内存块开始于0x7fff5fbff5b4，占用4个字节。我上面提到过一个变量的大小是由变量类型决定的。其实sizeof 操作可以直接作用在类型上：

(gdb) print sizeof(int)

$7 = 4

(gdb) print sizeof(double)

$8 = 8

这意味着，至少在你的机器上，int变量占用4个字节的空间，double占用8个。
使用GDB中的x命令，将会使它变成一个直接测试内存的强大的工具。X命令测量内存开始与一个特定的地址。它配备了一些格式化命令，提供精确的控制来实现你想检查多少字节，以及如何你想将它们打印出来。如果有疑问，在GDB prompt中执行help x。

&操作可以得到一个变量的地址，所以这意味着我们可以用x来执行&i并且来观察i值的原始字节。

(gdb) x/4xb &i

0x7fff5fbff584: 0x39    0x05    0x00    0x00

这个标志表示我想以4 个16进制数，一次一个字节的格式来显示。我已经选择查看4个字节，因为i的内存大小就是4个字节。输出信息中逐字节显示i的原始地址。

一个需要紧记于心的细节是如果在intel机器上的逐字节测试，其字节是按“little-endian”排序的。

一种更能清楚认识到这个特性的方法是赋予i一个更有趣的值，然后重新测试它的内存块：

(gdb) set var i = 0x12345678

(gdb) x/4xb &i

0x7fff5fbff584: 0x78    0x56    0x34    0x12

用ptype命令查看类型

Ptype也许是我最喜欢的命令了。它告诉你一个C表达式的类型：

(gdb) ptype i

type = int

(gdb) ptype &i

type = int *

(gdb) ptype main

type = int (void)

类型在C中可以会非常复杂，但是ptype可以让你时时的查看它们。

指针和数组

数组是C中一个很难以捉摸的概念。这个章节的目的就是写一个简单的程序，然后在GDB中运行、测试好让你开始理解数组。

Arrays.c的代码如下：

int main()

{

    int a[] = {1,2,3};

    return0;

}

编译时代上-g参数，然后在GDB下运行它，执行next命令来完成初始化：

$ gcc -g arrays.c -o arrays

$ gdb arrays

(gdb) break main

(gdb) run

(gdb) next

在这时候你应该能打印变量a的内容和查看它的类型：

(gdb) print a

$1 = {1, 2, 3}

(gdb) ptype a

type = int [3]

现在我们的程序在gdb中已经设置正确，我们现在首先要做的事是用x命令来查看a是什么样子：

(gdb) x/12xb &a

0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00  0x02  0x00  0x00  0x00

0x7fff5fbff574: 0x03  0x00  0x00  0x00

这里是的说明x的内存块是从地址 0x7fff5fbff5dc开始的。a[0]储存在开始的四个字节中，下一个元素a[1]储存在紧随其后的四个字节中。最后四个字节储存a[2]。其实你可以用sizeof来查看a的内存大小，它占用了12个字节。

(gdb) print sizeof(a)

$2 = 12

这这里，数组似乎相当数组。他们有自己的数组类型，在内存以中连续储存他们的元素。然而，在有些情况下，数组表现的和指针非常相似！举个例子，我们可以对a进行指针运算：

 (gdb) print a + 1

$3 = (int *) 0x7fff5fbff570

a+1的结果是一个指向int型的指针并且其内存地址是0x7fff5fbff570是。此时，你应该条件反射地用x命令来查看此指针：

(gdb) x/4xb a + 1

0x7fff5fbff570: 0x02  0x00  0x00  0x00

注意， 0x7fff5fbff570比 a的首字节地址0x7fff5fbff56c大4。考虑到int占用4个字节，这意味着a+1是一个指向int型的指针。

实际上在C语言中，数组索引是指针运算的语法糖。a[i]和 *(a+i)等价。你可以在gdb中试试：

(gdb) print a[0]

$4 = 1

(gdb) print *(a + 0)

$5 = 1

(gdb) print a[1]

$6 = 2

(gdb) print *(a + 1)

$7 = 2

(gdb) print a[2]

$8 = 3

(gdb) print *(a + 2)

$9 = 3

我们看到在某些情况下它像一个数组，有些情况它又像一个指向第一个元素的指针。到底发生了什么？

答案就是当一个数组的名字被用在C的表达式中，它退化成了一个指向头元素的指针。但两种情况除外：当一个数组名被传递给了sizeof和当一个数组名被用在&操作下。

这是一个很有趣的问题，当一个数组名传递给&操作的时候，它没有退化成一个指针：指针和退化的指针和&a有什么不同吗？

从数值上看，他们都代表同一个地址：

 (gdb) x/4xb a

0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00

(gdb) x/4xb &a

0x7fff5fbff56c: 0x01  0x00  0x00  0x00

然而他们的类型是不同的。我们已经看到一个a的退化指针是指向它的头元素，所以个它的类型肯定是int*。而对于&a，我们可以直接问gdb：

 (gdb) ptype &a

type = int (*)[3]

&a是一个指向拥有3个整型元素的数组指针。这里意味着：a在&操作下并没有退化，a的类型是int[3]。

你可以个通过指针运算来观察a的退化指针和&a的区别：

 (gdb) print a + 1

$10 = (int *) 0x7fff5fbff570

(gdb) print &a + 1

$11 = (int (*)[3]) 0x7fff5fbff578

注意到a加1的结果是向后加4个字节，相对的&a加1的结果是向后加12！

一个退化指针实际上是指向&a[0]的：

 (gdb) print &a[0]

$11 = (int *) 0x7fff5fbff56c

总结

希望我能使你明白gdb是学习C的一个便捷式的工具。你可以打印出表达式的值，查看内存的原始字节，还可以使用ptype查看变量类型。.

如果你打算用gdb来学习C，我有以下几点建议：

1.     使用gdb来学习 Ksplicepointer challenge.

2.     探索结构体是怎么储存在内存中的，它和数组又有什么不同？

3.     用gdb的disassemble来学习汇编语言编程！一个最有趣的练习是探索函数调用过程的栈的工作方式。

4.     看看gdb的“tui”模式，它提供一个在常规gdb上的ncurses视图层。在OS X，你可能要从gdb的源码安装。

补充（gdb窗口模式）

进入gdb窗口模式：list命令，或者layout src命令，或者tui命令

其他代码窗口相关命令：

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