GDB 調試完全指南 - Rust/C++ 專用

📋 概述

本指南提供完整的 GDB 調試技術說明，適用於 Rust 和 C++ 程式的深度調試。包含從基礎指令到進階原理的全面介紹。

🎯 調試腳本範例

以下是常見的調試腳本模式：

🚀 快速開始

1. 查看可用函數

# 使用 nm 查看函數符號
nm lib.so | grep "T " | grep "function_pattern"

# 或使用腳本
./list_functions.sh
cat functions.txt | grep connect  # 查看特定函數

2. 選擇調試模式

輕量級調試

gdb ./program -ex "set auto-solib-add off" -ex "run"

• ✅ 啟動快速
• ✅ 專注核心邏輯
• ❌ 某些功能可能受限

全面調試

gdb ./program -ex "set breakpoint pending on" -ex "rbreak .*pattern.*" -ex "run"

• ✅ 完整斷點覆蓋
• ✅ 所有模組追蹤
• ❌ 啟動較慢

運行時調試

# 附加到運行中的進程
gdb -p $(pgrep program_name)
# 或
gdb -p PID

• ✅ 不中斷運行狀態
• ✅ 保持應用上下文
• ❌ 需要適當權限

🔧 核心 GDB 指令說明

基本設定指令

斷點設置指令

break vs rbreak

• break function_name: 設置單一斷點

  break main
  break MyClass::myMethod
  break file.cpp:123
  

• rbreak pattern: 正則表達式批量設置

  rbreak .*::processData.*      # 所有 processData 相關函數
  rbreak ^handle_.*              # 所有 handle_ 開頭的函數
  rbreak .*Service::.*           # Service 類的所有方法
  

函式庫載入指令

# 載入所有函式庫
sharedlibrary

# 載入特定函式庫
sharedlibrary libexample

# 查看已載入的函式庫
info sharedlibrary

函式庫載入與斷點設置順序

順序比較

最佳實踐

# 推薦順序
set breakpoint pending on          # 1. 允許延遲斷點
sharedlibrary libexample.so        # 2. 載入函式庫
info sharedlibrary                 # 3. 驗證載入
rbreak .*MyNamespace::.*           # 4. 設置斷點
info breakpoints                   # 5. 確認狀態

🔍 GDB 與程式碼對應機制

核心原理架構

源碼(.rs) → 編譯器(rustc) → 二進制文件(.so/.exe)
                ↓
        生成調試信息(DWARF)
                ↓
    GDB 讀取調試信息 → 映射到源碼

調試信息組成

1. 符號表 (Symbol Table)

# 查看符號表
$ nm libexample.so

0000000000123456 T _Z10initServerv        # T = Text段(函數)
0000000000123789 D global_config          # D = Data段(變數)
0000000000234567 T _ZN7MyClass6methodEv   # T = 類方法

符號類型說明：

• T: Text (code) segment - 函數實現
• U: Undefined - 外部引用
• D: Data segment - 全局變數
• B: BSS segment - 未初始化數據

2. DWARF 調試信息

# 查看 DWARF 信息
$ objdump --dwarf=info libexample.so
$ readelf --debug-dump=info libexample.so

DWARF 包含：

• 源檔案路徑與行號對應表
• 變數類型與位置信息
• 函數參數與局部變數
• 內聯函數展開信息

GDB 映射工作流程

步驟 1: 地址解析

(gdb) break MyClass::processData
# GDB 動作：
# 1. 查找符號表
# 2. 找到 MyClass::processData = 0x7ffff7abc123
# 3. 在該地址設置 INT3 斷點指令

步驟 2: 行號映射表

記憶體地址          源碼位置
0x7ffff7abc123  →  src/server.rs:42
0x7ffff7abc127  →  src/server.rs:43
0x7ffff7abc12b  →  src/server.rs:44

步驟 3: 實際對應過程

# 程式執行到斷點
Program received signal SIGTRAP
# GDB 處理流程：
# 1. CPU 執行到 0x7ffff7abc123
# 2. 觸發 INT3 陷阱
# 3. GDB 查詢 DWARF：0x7ffff7abc123 → server.rs:42
# 4. 讀取 /path/to/server.rs 第 42 行
# 5. 顯示源碼位置

編譯時調試信息生成

Rust 編譯選項

# Debug 模式（完整調試信息）
cargo build
# 等同於: rustc -g -C opt-level=0 -C debuginfo=2

# Release 模式 + 調試信息
cargo build --release
# Cargo.toml 配置：
[profile.release]
debug = true  # 或 debug = 2

調試信息層級

# Cargo.toml
[profile.dev]
debug = 2       # 完整調試信息（預設）
debug = 1       # 只有行號信息
debug = 0       # 無調試信息

DWARF 格式詳解

DIE (Debugging Information Entry) 結構

DW_TAG_compile_unit
├── DW_AT_name: "main.cpp"
├── DW_AT_comp_dir: "/home/user/project/src"
└── DW_TAG_subprogram
    ├── DW_AT_name: "processData"
    ├── DW_AT_low_pc: 0x7ffff7abc123    # 函數起始地址
    ├── DW_AT_high_pc: 0x7ffff7abc456   # 函數結束地址
    ├── DW_AT_decl_file: 1              # 檔案索引
    └── DW_AT_decl_line: 42             # 源碼行號

Name Mangling (符號修飾)

C++ 命名轉換

// C++ 源碼
class MyClass {
    void processData(int value);
};

// 編譯後符號（Mangled）
_ZN7MyClass11processDataEi

// 解碼後（Demangled）
MyClass::processData(int)

Rust 命名轉換

#![allow(unused)]
fn main() {
// Rust 源碼
impl DataProcessor {
    pub fn process(&self) -> Result<()> { }
}

// 編譯後符號（Mangled）
_ZN13DataProcessor7process17h8a3f5d2c1b9e7046E

// 解碼後（Demangled）
DataProcessor::process
}

GDB 解碼方式

# 自動解碼
(gdb) info functions connect
ButtplugClient::connect()

# 手動解碼工具
$ c++filt _ZN14ButtplugClient7connect17h8a3f5d2c1b9e7046E
$ rustfilt _ZN14ButtplugClient7connect17h8a3f5d2c1b9e7046E

實際查看調試信息

# 1. 檢查是否有調試信息
$ file libexample.so
# 輸出: with debug_info, not stripped

# 2. 查看調試段大小
$ size -A libexample.so | grep debug
.debug_info    123456   # DWARF 信息
.debug_line    45678    # 行號映射
.debug_str     12345    # 調試字串

# 3. 查看行號映射
$ objdump -d -l libexample.so

# 4. 查看符號詳情
$ readelf -s libexample.so | grep MyClass
$ nm -C libexample.so | grep processData  # -C 自動 demangle

GDB 深層命令

# 查看符號來源
(gdb) info symbol 0x7ffff7abc123
MyClass::processData(int) in section .text

# 查看地址對應行號
(gdb) info line *0x7ffff7abc123
Line 42 of "server.rs" starts at 0x7ffff7abc123

# 查看源碼搜索路徑
(gdb) show directories

# 設置源碼路徑映射
(gdb) set substitute-path /original/path /current/path

# 查看 DWARF 原始信息
(gdb) maintenance info sections .debug_*

# 查看載入的符號檔案
(gdb) info sources

調試信息最佳化影響

常見調試信息問題

問題：No debugging symbols found

# 解決方案
cargo clean
cargo build  # 確保有調試信息

問題：源碼路徑不匹配

# 設置源碼搜索路徑
(gdb) directory /new/source/path
(gdb) set substitute-path /build/path /actual/path

問題：Optimized out 變數

#![allow(unused)]
fn main() {
// 防止優化的方法
#[inline(never)]
fn function() { }

// 或使用 black_box
use std::hint::black_box;
let x = black_box(42);
}

📊 調試工作流程

graph TD
    A[開始調試] --> B[分析符號表]
    B --> C[確認調試信息]
    C --> D{選擇調試策略}

    D -->|快速測試| E[精簡載入模式]
    E --> F[設置特定斷點]

    D -->|全面分析| G[完整調試模式]
    G --> H[自動設置所有斷點]

    D -->|運行時問題| I[附加調試模式]
    I --> J[附加到 PID]

    F --> K[運行和調試]
    H --> K
    J --> K

    K --> L[分析問題]
    L --> M[修復代碼]

💡 實用調試技巧

1. 斷點管理

info breakpoints          # 列出所有斷點
disable 1-5              # 暫時禁用斷點 1 到 5
enable 3                 # 啟用斷點 3
delete 10                # 刪除斷點 10
clear function_name      # 清除函數上的斷點

2. 執行控制

run                      # 開始執行
continue (c)             # 繼續執行
step (s)                 # 單步執行（進入函數）
next (n)                 # 單步執行（不進入函數）
finish                   # 執行到當前函數返回
until 123               # 執行到第 123 行

3. 檢查程式狀態

backtrace (bt)          # 查看調用堆疊
frame 2                 # 切換到堆疊第 2 層
info locals             # 查看局部變數
info args               # 查看函數參數
print variable_name     # 打印變數值
print *pointer         # 打印指針內容
x/10x $rsp             # 查看堆疊記憶體（16進制）

4. Rust 特有調試

# 設置 Rust 語言模式
set language rust

# 查看 Result 類型
print result

# 查看 Option 類型
print option_value

# 查看字符串
print string_variable

# 查看 Vec
print vector_name
print vector_name.len
print vector_name.buf.ptr

🛠️ 常見問題解決

問題 1: 找不到符號

症狀: No symbol "function_name" in current context

解決方案:

1. 確認函式庫已載入: info sharedlibrary
2. 手動載入: sharedlibrary libname
3. 檢查符號表: nm lib.so | grep function_name

問題 2: 斷點未觸發

症狀: 程式執行但斷點沒有停止

解決方案:

1. 檢查斷點狀態: info breakpoints
2. 確認函數被調用: 添加日誌輸出
3. 使用 rbreak 設置更廣泛的斷點

問題 3: 無法查看變數

症狀: optimized out 訊息

解決方案:

1. 使用 debug 版本編譯: cargo build (不加 --release)
2. 降低優化等級: 在 Cargo.toml 設置 opt-level = 0

📚 進階技巧

腳本範例

列出函數符號腳本 (list_functions.sh)

#!/bin/bash
LIBRARY=${1:-"lib/libexample.so"}
PATTERN=${2:-".*"}

echo "Extracting function symbols from $LIBRARY..."
nm -C "$LIBRARY" | grep " T " | grep -E "$PATTERN" | awk '{print $3}' > functions.txt
echo "Found $(wc -l < functions.txt) functions"

精簡調試腳本 (gdb_minimal.sh)

#!/bin/bash
cat > /tmp/gdb_commands << 'EOF'
set pagination off
set breakpoint pending on
set auto-solib-add off
file ./program
sharedlibrary libexample
break main
run
EOF

gdb -x /tmp/gdb_commands

附加調試腳本 (gdb_attach.sh)

#!/bin/bash
PROGRAM_NAME=${1:-"program"}
PID=$(pgrep -f "$PROGRAM_NAME" | head -1)

if [ -z "$PID" ]; then
    echo "Process not found: $PROGRAM_NAME"
    exit 1
fi

echo "Attaching to PID: $PID"
gdb -p "$PID"

條件斷點

# 只在特定條件下中斷
break function_name if variable == 42
condition 5 counter > 100  # 為斷點 5 添加條件

觀察點

# 當變數改變時中斷
watch variable_name
rwatch variable_name     # 讀取時中斷
awatch variable_name     # 讀寫時中斷

自動化調試

# 定義命令序列
define print_state
  print variable1
  print variable2
  backtrace 3
end

# 斷點觸發時自動執行
commands 1
  print_state
  continue
end

日誌記錄

# 開啟日誌
set logging on
set logging file debug.log

# 設置日誌等級
set logging overwrite on
set logging redirect on

🔗 相關資源

• GDB 官方文檔
• Rust GDB 調試指南
• GNU Debugger Documentation

📝 備註

• 需要調試符號的二進制文件（非 stripped）
• 某些功能可能需要 root 權限（如 ptrace）
• C++ 程式建議使用 -g -O0 編譯選項
• Rust 程式建議使用 cargo build (debug mode)
• 可使用 gdb-dashboard 或 gef 增強調試體驗

🔨 編譯建議

C++ 編譯選項

# Debug 版本
g++ -g -O0 -fno-omit-frame-pointer main.cpp

# Release with debug info
g++ -g -O2 main.cpp

Rust 編譯選項

# Debug 版本
cargo build

# Release with debug info
cargo build --release
# Cargo.toml:
# [profile.release]
# debug = true

CMake 配置

# Debug 版本
set(CMAKE_BUILD_TYPE Debug)
set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "-g -O0")

# Release with debug
set(CMAKE_BUILD_TYPE RelWithDebInfo)

最後更新: 2025-09-17