高效 C/C++ 調試

《高效C/C++調試》是關於軟件調試技術的深度探索，融合了作者的實踐智慧。書中不僅指導讀者如何使用專業的調試工具，還介紹瞭如何宏觀和微觀地分析問題，並**限度地發揮調試器功能。此外，書中還深入解讀了調試背後的技術原理，如調試符號、內存管理及系統內核對內存的操作機制，以揭示內存管理的關鍵性和復雜性。 除了介紹基礎概念外，本書還涵蓋了許多增強調試能力的工具與插件。盡管焦點集中在C/C++，但其中的策略與技巧具有普適性，適用於多種編程語境。內容包括從內存泄漏預防調試、Linux下的eBPF和strace調試方法，到Kubernetes容器調試，再到C++20的協程與崩潰信息收集策略。 《高效C/C++調試》主要面向具有C/C++編程基礎的讀者，同時也非常適合對軟件技術原理有深入探索興趣的讀者以及追求高效調試技巧的開發人員。

 

目    錄

第1章   調試符號和調試器 1

1.1  調試符號 1

1.1.1  調試符號概覽 2

1.1.2  DWARF格式 3

1.2  實戰故事1：數據類型的不一致 14

1.3  調試器的內部結構 16

1.3.1  用戶界面 16

1.3.2  符號管理模塊 16

1.3.3  目標管理模塊 17

1.4  技巧和註意事項 21

1.4.1  特殊的調試符號 21

1.4.2  改變執行及其副作用 24

1.4.3  符號匹配的自動化 25

1.4.4  後期分析 26

1.4.5  內存保護 27

1.4.6  斷點不工作 27

1.5  本章小結 28

第2章   堆數據結構 29

2.1  理解內存管理器 30

2.1.1  ptmalloc 31

2.1.2  TCMalloc 34

2.1.3  多個堆 38

2.2  利用堆元數據 39

2.3  本章小結 42

第3章   內存損壞 43

3.1  內存是怎麽損壞的 44

3.1.1  內存溢出與下溢 44

3.1.2  訪問釋放的內存 45

3.1.3  使用未初始化的值 46

3.2  調試內存損壞 47

3.2.1  初始調查 49

3.2.2  內存調試工具 53

3.2.3  堆與棧內存損壞對比 53

3.2.4  工具箱 54

3.3  實戰故事2：神秘的字節序轉換 55

3.3.1  症狀 55

3.3.2  分析和調試 56

3.3.3  錯誤和有價值的點 64

3.4  實戰故事3：覆寫棧變量 65

3.4.1  症狀 65

3.4.2  分析和調試 65

3.5  本章小結 68

第4章   C++對象佈局 69

4.1  對齊和大小端 69

4.1.1  對齊 69

4.1.2  大小端 70

4.2  C++對象佈局 71

4.3  實戰故事4：訪問已經釋放的數據 94

4.3.1  症狀 94

4.3.2  分析和調試 94

4.4  搜索引用樹 95

4.5  本章小結 101

第5章   優化後的二進制 102

5.1  調試版和發行版的區別 102

5.2  調試優化代碼的挑戰 106

5.3  匯編代碼介紹 108

5.3.1  寄存器 109

5.3.2  指令集 111

5.3.3  程序匯編的結構 113

5.3.4  函數調用習慣 116

5.4  分析優化後的代碼 127

5.5  調試優化後的代碼示例 130

5.6  本章小結 141

第6章   進程鏡像 142

6.1  二進制文件格式 144

6.2  運行期加載和鏈接 148

6.3  進程映射表 153

6.3.1  可執行文件 154

6.3.2  共享庫 156

6.3.3  線程棧 157

6.3.4  無名區域 157

6.3.5  攔截 158

6.3.6  鏈接時替換 158

6.3.7  預先加載代理函數 159

6.3.8  修改導入和導出表 159

6.3.9  對目標函數進行手術改變 164

6.3.10  核心轉儲文件格式 166

6.3.11  核心轉儲文件分析工具 169

6.4  本章小結 170

第7章   調試多線程程序 171

7.1  競爭條件 171

7.2  它是競爭條件嗎 172

7.3  調試競爭條件 174

7.4  實戰故事5：記錄重要區域 175

7.4.1  症狀 175

7.4.2  分析調試 175

7.5  死鎖 177

7.6  本章小結 179

第8章   更多調試方法 180

8.1  重現錯誤 180

8.1.1  歸因 181

8.1.2  收集環境信息 182

8.1.3  重建環境 184

8.2  防止未來的bug 184

8.2.1  知識保留和傳遞 185

8.2.2  增強提前檢查 185

8.2.3  編寫更好調試的代碼 185

8.3  不要忘記這些調試規則 189

8.3.1  分治法 189

8.3.2  退一步，獲取新的觀點 189

8.3.3  保留調試歷史 190

8.4  逆向調試 190

8.4.1  rr：Record and Replay 191

8.4.2  rr註意事項 191

8.5  本章小結 192

第9章   拓展調試器能力 193

9.1  使用Python拓展GDB 193

9.1.1  美化輸出 194

9.1.2  編寫自己的美觀打印器 195

9.1.3  將重復的工作變成一個命令 197

9.1.4  更快地調試bug 198

9.1.5  使用Python設置斷點 200

9.1.6  通過命令行來啟動程序和設置斷點 203

9.2  GDB自定義命令 203

9.3  本章小結 206

第10章   內存調試工具 207

10.1  ptmalloc’s MALLOC_CHECK_ 208

10.2  Google Address Sanitizer 212

10.3  AccuTrak 213

10.4  有效地調試內存損壞 225

10.5  實戰故事6：內存管理器的崩潰問題 228

10.5.1  症狀 229

10.5.2  分析和調試 229

10.6  本章小結 235

第11章   Core Analyzer 236

11.1  使用示例 237

11.2  主要功能 239

11.2.1  搜索引用的對象（水平搜索） 239

11.2.2  查詢地址及其底層對象（垂直搜索） 240

11.2.3  內存模式分析 241

11.2.4  查詢堆內存塊 242

11.2.5  堆遍歷（檢查整個堆以發現損壞並獲取內存使用統計） 242

11.3  本章小結 246

第12章   更多調試工具 247

12.1  strace 247

12.1.1  常用功能 247

12.1.2  常用附加選項 248

12.2  實戰故事7：僵屍進程 248

12.2.1  遇到難題 248

12.2.2  揭示bug的真相 249

12.3  Perf 249

12.4  eBPF 250

12.4.1  準備環境 251

12.4.2  編寫代碼 251

12.4.3  編譯程序 252

12.4.4   加載和運行程序 254

12.5  實戰故事8：鏈接問題 255

12.5.1  切入 255

12.5.2  更奇怪的事情 258

12.5.3  柳暗花明 259

12.5.4  補充 260

12.5.5  結論 261

12.6  實戰故事9：臨時變量的生命周期 261

12.7  本章小結 264

第13章   崩潰發送機制 265

13.1  客戶端 266

13.2  遠程報告收集服務器 267

13.3  終端集成器 268

13.4  本章小結 268

第14章   內存泄漏 269

14.1  為什麽RAII是基石 269

14.2  分析 270

14.3  調試內存泄漏 273

14.4  本章小結 275

第15章   協程 276

15.1  C++協程 277

15.2  協程的切分點 279

15.3  協程之諾 281

15.4  本章小結 283

第16章   遠程調試 284

16.1  GDB遠程調試 285

16.2  Visual Studio遠程調試 286

16.3  本章小結 287

第17章   容器世界 288

17.1  容器示例 288

17.2  容器應用 289

17.3  C/C++容器調試 291

17.4  實戰故事10：CrashLoopBackOff 292

17.5  實戰故事11：liveness failure 292

17.6  本章小結 294

第18章   盡量不要調試程序 295

18.1  借助編譯器來提前發現錯誤 295

18.2  編寫簡短的實驗代碼 295

18.3  日誌和監控 296

18.3.1  日誌 296

18.3.2  監控 297

18.4  遵循最佳編碼實踐 297

18.5  本章小結 298

附錄A   調試混合語言 299

附錄B   在Windows/x86環境下進行程序調試 301

B.1  PE文件格式 301

B.2  Windows Minidump格式 306

附錄C   一個簡單的C++ coroutine程序 309