Week 18: 调试与性能分析

# 添加调试信息
gcc -g -O0 program.c -o program

# -g: 生成调试信息
# -O0: 禁用优化 (便于调试)

gdb ./program

# 运行
(gdb) run [args]
(gdb) run < input.txt

# 断点
(gdb) break main           # 函数断点
(gdb) break file.c:10      # 行断点
(gdb) break func if x > 5  # 条件断点
(gdb) info breakpoints     # 查看断点
(gdb) delete 1             # 删除断点
(gdb) disable 1            # 禁用断点

# 执行控制
(gdb) next    (n)    # 下一行 (不进入函数)
(gdb) step    (s)    # 下一行 (进入函数)
(gdb) continue (c)   # 继续运行
(gdb) finish         # 运行到函数返回
(gdb) until 20       # 运行到第 20 行

# 查看
(gdb) print x        # 打印变量
(gdb) print *p       # 解引用
(gdb) print arr[0]@5 # 打印数组前 5 个元素
(gdb) display x      # 每步显示变量
(gdb) info locals    # 局部变量
(gdb) backtrace (bt) # 调用栈

# 修改
(gdb) set x = 10     # 修改变量值

# 退出
(gdb) quit

(gdb) x/10x ptr      # 16进制显示 10 个单元
(gdb) x/10d ptr      # 十进制
(gdb) x/10c ptr      # 字符
(gdb) x/s ptr        # 字符串
(gdb) x/10i func     # 反汇编

# 启用 core dump
ulimit -c unlimited

# 运行程序崩溃后
gdb ./program core

# 查看崩溃位置
(gdb) bt

gdb -p <pid>
# 或
gdb ./program
(gdb) attach <pid>

valgrind --leak-check=full ./program

# 未初始化读取
Use of uninitialised value

# 无效读写
Invalid read/write of size 4

# 内存泄漏
definitely lost: 40 bytes in 1 blocks

# 非法释放
Invalid free()

# 重复释放
Invalid free() / delete / delete[]

# 完整泄漏检查
valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all ./program

# 输出到文件
valgrind --log-file=valgrind.log ./program

# 跟踪子进程
valgrind --trace-children=yes ./program

gcc -fsanitize=address -g program.c -o program
./program

# 未定义行为
gcc -fsanitize=undefined -g program.c

# 线程安全
gcc -fsanitize=thread -g program.c

# 内存泄漏
gcc -fsanitize=leak -g program.c

# 编译
gcc -pg program.c -o program

# 运行
./program

# 分析
gprof ./program gmon.out > analysis.txt

# 采样
perf record ./program

# 报告
perf report

# 统计
perf stat ./program

time ./program
# real    0m1.234s    实际时间
# user    0m1.100s    用户态时间
# sys     0m0.050s    内核态时间

#include <time.h>

clock_t start = clock();
// 代码
clock_t end = clock();

double cpu_time = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("CPU time: %f seconds\n", cpu_time);

gcc -Wall -Wextra -Werror -pedantic program.c

scan-build gcc program.c -o program
scan-view /tmp/scan-build-xxx

cppcheck --enable=all program.c

# 跟踪系统调用
strace ./program
strace -e trace=open,read,write ./program  # 过滤
strace -c ./program  # 统计

# 跟踪库函数调用
ltrace ./program
ltrace -e malloc+free ./program  # 过滤

open("file.txt", O_RDONLY) = 3
read(3, "Hello\n", 4096) = 6
write(1, "Hello\n", 6) = 6
close(3) = 0

gdb -tui ./program

# 或在 GDB 中
(gdb) layout src     # 源代码视图
(gdb) layout asm     # 汇编视图
(gdb) layout split   # 源代码 + 汇编
(gdb) layout regs    # 寄存器视图
(gdb) focus cmd      # 焦点切换到命令窗口
(gdb) refresh        # 刷新屏幕

#ifdef DEBUG
    #define DEBUG_PRINT(fmt, ...) \
        fprintf(stderr, "[DEBUG %s:%d] " fmt "\n", \
                __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#else
    #define DEBUG_PRINT(fmt, ...) ((void)0)
#endif

// 使用
DEBUG_PRINT("x = %d, y = %d", x, y);

# 安装
sudo apt install linux-crashdump  # Debian/Ubuntu
sudo yum install kexec-tools crash  # RHEL/CentOS

# 配置 /etc/default/kdump-tools
USE_KDUMP=1
KDUMP_SYSCTL="kernel.panic_on_oops=1"

# 重启后验证
cat /sys/kernel/kexec_crash_loaded  # 应输出 1

# 分析 vmcore
crash /usr/lib/debug/boot/vmlinux-$(uname -r) /var/crash/*/vmcore

# 常用命令
crash> bt              # 当前任务的调用栈
crash> bt -a           # 所有 CPU 的调用栈
crash> log             # 内核日志 (dmesg)
crash> ps              # 进程列表
crash> vm              # 虚拟内存信息
crash> files           # 打开的文件
crash> dis <func>      # 反汇编函数
crash> struct task_struct <addr>  # 查看结构体
crash> rd <addr> 10    # 读取内存
crash> sym <addr>      # 地址转符号
crash> mod             # 已加载模块
crash> exit

crash> bt
PID: 1234   TASK: ffff8800deadbeef  CPU: 2   COMMAND: "buggy_driver"
 #0 [ffff8800cafebabe] machine_kexec at ffffffff810...
 #1 [ffff8800cafebabe] panic at ffffffff817...
 #2 [ffff8800cafebabe] oops_end at ffffffff810...
 #3 [ffff8800cafebabe] page_fault at ffffffff817...  # <-- 故障点
 #4 [ffff8800cafebabe] buggy_function at ffffffffa00...

crash> dis buggy_function
# 查看故障点附近的汇编代码

crash> mod -s mymodule /path/to/mymodule.ko
crash> bt
# 现在可以看到模块内的符号

char buf[10];
strcpy(buf, "This string is too long");  // 溢出!

int *p = NULL;
*p = 10;  // 段错误!

void leak(void) {
    int *p = malloc(sizeof(int));
    // 忘记 free
}

int *p = malloc(sizeof(int));
free(p);
free(p);  // 双重释放!

int *p = malloc(sizeof(int));
free(p);
*p = 10;  // 悬空指针!

int x = INT_MAX;
x++;  // 未定义行为 (有符号)