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GDB watch命令:监控变量值的变化

GDB break命令》一节,给大家介绍了使用 break 命令在程序某一行的位置打断点。但还有一些场景,我们需要监控某个变量或者表达式的值,通过值的变化情况判断程序的执行过程是否存在异常或者 Bug。这种情况下,break 命令显然不再适用,推荐大家使用 watch 命令

要知道,GDB 调试器支持在程序中打 3 种断点,分别为普通断点、观察断点和捕捉断点。其中 break 命令打的就是普通断点,而 watch 命令打的为观察断点,关于捕捉断点,后续章节会做详细讲解。

使用 GDB 调试程序的过程中,借助观察断点可以监控程序中某个变量或者表达式的值,只要发生改变,程序就会停止执行。相比普通断点,观察断点不需要我们预测变量(表达式)值发生改变的具体位置。

所谓表达式,就是包含多个变量的式子,比如 a+b 就是一个表达式,其中 a、b 为变量。

对于监控 C、C++ 程序中某变量或表达式的值是否发生改变,watch 命令的语法非常简单,如下所示:

(gdb) watch cond

其中,conde 指的就是要监控的变量或表达式。

和 watch 命令功能相似的,还有 rwatch 和 awatch 命令。其中:
  • rwatch 命令:只要程序中出现读取目标变量(表达式)的值的操作,程序就会停止运行;
  • awatch 命令:只要程序中出现读取目标变量(表达式)的值或者改变值的操作,程序就会停止运行。

强调一下,watch 命令的功能是:只有当被监控变量(表达式)的值发生改变,程序才会停止运行。

举个例子:

(gdb) l           <--列出要调试的程序源码
1 #include<stdio.h>
2 int main(int argc,char* argv[])
3 {
4     int num = 1;
5     while(num<=100)
6     {
7         num *= 2;
8     }
9     printf("%d",num);
10     return 0;
(gdb)
11 }
(gdb) b 4       <-- 使用 break 命令打断点
Breakpoint 1 at 0x115c: file main.c, line 4.
(gdb) r           <-- 执行程序
Starting program: /home/ubuntu64/demo/main.exe

Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffe088) at main.c:4
4     int num = 1;
(gdb) watch num   <-- 监控程序中 num 变量的值
Hardware watchpoint 2: num
(gdb) c            <-- 继续执行,当 num 值发生改变时,程序才停止执行
Continuing.

Hardware watchpoint 2: num

Old value = 0
New value = 2
main (argc=1, argv=0x7fffffffe088) at main.c:5
5     while(num<=100)
(gdb) c           <-- num 值发生了改变,继续执行程序
Continuing.

Hardware watchpoint 2: num

Old value = 2
New value = 4
main (argc=1, argv=0x7fffffffe088) at main.c:5
5     while(num<=100)
(gdb)

有关代码中蓝色部分的含义,本文后续会做详细解释。

可以看到在程序运行过程中,通过借助 watch 命令监控 num 的值,后续只要 num 的值发生改变,程序都会停止。感兴趣的读者,可自行尝试使用 awatch 和 rwatch 命令,这里不再给出具体的示例。

如果我们想查看当前建立的观察点的数量,借助如下指令即可:

(gdb) info watchpoints


值得一提的是,对于使用 watch(rwatch、awatch)命令监控 C、C++ 程序中变量或者表达式的值,有以下几点需要注意:
  • 当监控的变量(表达式)为局部变量(表达式)时,一旦局部变量(表达式)失效,则监控操作也随即失效;
  • 如果监控的是一个指针变量(例如 *p),则 watch *p 和 watch p 是有区别的,前者监控的是 p 所指数据的变化情况,而后者监控的是 p 指针本身有没有改变指向;
  • 这 3 个监控命令还可以用于监控数组中元素值的变化情况,例如对于 a[10] 这个数组,watch a 表示只要 a 数组中存储的数据发生改变,程序就会停止执行。

如果读者只想学习如何使用 watch 命令,则读者这里即可。反之,如果想了解 watch 命令底层是如何实现的,可以继续往下阅读。

watch命令的实现原理

watch 命令实现监控机制的方式有 2 种,一种是为目标变量(表达式)设置硬件观察点,另一种是为目标变量(表达式)设置软件观察点

所谓软件观点(software watchpoint),即用 watch 命令监控目标变量(表达式)后,GDB 调试器会以单步执行的方式运行程序,并且每行代码执行完毕后,都会检测该目标变量(表达式)的值是否发生改变,如果改变则程序执行停止。

可想而知,这种“实时”的判别方式,一定程度上会影响程序的执行效率。但从另一个角度看,调试程序的目的并非是为了获得运行结果,而是查找导致程序异常或 Bug 的代码,因此即便软件观察点会影响执行效率,一定程度上也是可以接受的。

所谓硬件观察点(Hardware watchpoint),和前者最大的不同是,它在实现监控机制的同时不影响程序的执行效率。简单的理解,系统会为 GDB 调试器提供少量的寄存器(例如 32 位的 Intel x86 处理器提供有 4 个调试寄存器),每个寄存器都可以作为一个观察点协助 GDB 完成监控任务。

需要注意的是,基于寄存器个数的限制,如果调试环境中设立的硬件观察点太多,则有些可能会失去作用,这种情况下,GDB 调试器会发出如下警告:

Hardware watchpoint num: Could not insert watchpoint

解决方案也很简单,就是删除或者禁用一部分硬件观察点。

除此之外,受到寄存器数量的限制,可能会出现:无法使用硬件观察点监控数据类型占用字节数较多的变量(表达式)。比如说,某些操作系统中,GDB 调试器最多只能监控 4 个字节长度的数据,这意味着 C、C++ 中 double 类型的数据是无法使用硬件观察点监测的。这种情况下,可以考虑将其换成占用字符串少的 float 类型。

目前,大多数 PowerPC 或者基于 x86 的操作系统,都支持采用硬件观点。并且 GDB 调试器在建立观察断点时,会优先尝试建立硬件观察点,只有当前环境不支持硬件观察点时,才会建立软件观察点。借助如下指令,即可强制 GDB 调试器只建立软件观察点:

set can-use-hw-watchpoints 0

注意,在执行此命令之前建立的硬件观察点,不会受此命令的影响。

注意,awatch 和 rwatch 命令只能设置硬件观察点,如果系统不支持或者借助如上命令禁用,则 GDB 调试器会打印如下信息:

Expression cannot be implemented with read/access watchpoint.

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