Linux系統中找出並解決程序錯誤方法

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　　您可以用各種方法來監控運行著的用戶空間程序：可以為其運行調試器並單步調試該程序，添加打印語句，或者添加工具來分析程序。本文描述了幾種可以用來調試在 Linux 上運行的程序的方法。我們將回顧四種調試問題的情況，這些問題包括段錯誤，內存溢出和洩漏，還有掛起。

　　本文討論了四種調試 Linux 程序的情況。在第 1 種情況中，我們使用了兩個有內存分配問題的樣本程序，使用 MEMWATCH 和 Yet Another Malloc Debugger（YAMD）工具來調試它們。在第 2 種情況中，我們使用了 Linux 中的 strace 實用程序，它能夠跟蹤系統調用和信號，從而找出程序發生錯誤的地方。在第 3 種情況中，我們使用 Linux 內核的 Oops 功能來解決程序的段錯誤，並向您展示如何設置內核源代碼級調試器（kernel source level debugger，kgdb），以使用 GNU 調試器（GNU debugger，gdb）來解決相同的問題；kgdb 程序是使用串行連接的 Linux 內核遠程 gdb。在第 4 種情況中，我們使用 Linux 上提供的魔術鍵控順序（magic key sequence）來顯示引發掛起問題的組件的信息。

　　常見調試方法

　　當您的程序中包含錯誤時，很可能在代碼中某處有一個條件，您認為它為真（true），但實際上是假（false）。找出錯誤的過程也就是在找出錯誤後推翻以前一直確信為真的某個條件過程。

　　以下幾個示例是您可能確信成立的條件的一些類型：

　　在源代碼中的某處，某變量有特定的值。

　　在給定的地方，某個結構已被正確設置。

　　對於給定的 if-then-else 語句，if 部分就是被執行的路徑。

　　當子例程被調用時，該例程正確地接收到了它的參數。

　　找出錯誤也就是要確定上述所有情況是否存在。如果您確信在子例程被調用時某變量應該有特定的值，那麼就檢查一下情況是否如此。如果您相信 if 結構會被執行，那麼也檢查一下情況是否如此。通常，您的假設都會是正確的，但最終您會找到與假設不符的情況。結果，您就會找出發生錯誤的地方。

　　調試是您無法逃避的任務。進行調試有很多種方法，比如將消息打印到屏幕上、使用調試器，或只是考慮程序執行的情況並仔細地揣摩問題所在。

　　在修正問題之前，您必須找出它的源頭。舉例來說，對於段錯誤，您需要了解段錯誤發生在代碼的哪一行。一旦您發現了代碼中出錯的行，請確定該方法中變量的值、方法被調用的方式以及關於錯誤如何發生的詳細情況。使用調試器將使找出所有這些信息變得很簡單。如果沒有調試器可用，您還可以使用其它的工具。（請注意，產品環境中可能並不提供調試器，而且 Linux 內核沒有內建的調試器。）

　　實用的內存和內核工具

　　您可以使用 Linux 上的調試工具，通過各種方式跟蹤用戶空間和內核問題。請使用下面的工具和技術來構建和調試您的源代碼：

　　用戶空間工具：

　　內存工具：MEMWATCH 和 YAMD

　　strace

　　GNU 調試器（gdb）

　　魔術鍵控順序

　　內核工具：

　　內核源代碼級調試器（kgdb）

　　內建內核調試器（kdb）

　　Oops

　　本文將討論一類通過人工檢查代碼不容易找到的問題，而且此類問題只在很少見的情況下存在。內存錯誤通常在多種情況同時存在時出現，而且您有時只能在部署程序之後才能發現內存錯誤。

　　第 1 種情況：內存調試工具
　　C 語言作為 Linux 系統上標准的編程語言給予了我們對動態內存分配很大的控制權。然而，這種自由可能會導致嚴重的內存管理問題，而這些問題可能導致程序崩潰或隨時間的推移導致性能降級。

　　內存洩漏（即 malloc() 內存在對應的 free() 調用執行後永不被釋放）和緩沖區溢出（例如對以前分配到某數組的內存進行寫操作）是一些常見的問題，它們可能很難檢測到。這一部分將討論幾個調試工具，它們極大地簡化了檢測和找出內存問題的過程。

　　MEMWATCH

　　MEMWATCH 由 Johan Lindh 編寫，是一個開放源代碼 C 語言內存錯誤檢測工具，您可以自己下載它（請參閱本文後面部分的參考資料）。只要在代碼中添加一個頭文件並在 gcc 語句中定義了 MEMWATCH 之後，您就可以跟蹤程序中的內存洩漏和錯誤了。MEMWATCH 支持 ANSI C，它提供結果日志紀錄，能檢測雙重釋放（double-free）、錯誤釋放（erroneous free）、沒有釋放的內存（unfreed memory）、溢出和下溢等等。

CODE:#include "STDLIB.H"
#include "STDIO.H"
#include "memwatch.h"

int main(void)
{
char *ptr1;
char *ptr2;

ptr1 = malloc(512);
ptr2 = malloc(512);

ptr2 = ptr1;
free(ptr2);
free(ptr1);
}

清單 1. 內存樣本（test1.c）
　　清單 1 中的代碼將分配兩個 512 字節的內存塊，然後指向第一個內存塊的指針被設定為指向第二個內存塊。結果，第二個內存塊的地址丟失，從而產生了內存洩漏。

　　現在我們編譯清單 1 的 memwatch.c。下面是一個 makefile 示例：

CODE:test1
gcc -DMEMWATCH -DMW_STDIO test1.c memwatch
c -o test1

　　當您運行 test1 程序後，它會生成一個關於洩漏的內存的報告。清單 2 展示了示例 memwatch.log 輸出文件。

CODE:MEMWATCH 2.67 Copyright (C) 1992-1999 Johan Lindh

...
double-free: <4> test1.c(15), 0x80517b4 was freed from test1.c(14)
...
unfreed: <2> test1.c(11), 512 bytes at 0x80519e4
{FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE FE ..............}

Memory usage statistics (global):
N)umber of allocations made: 2
L)argest memory usage : 1024
T)otal of all alloc() calls: 1024
U)nfreed bytes totals : 512

清單 2. test1 memwatch.log 文件
　　MEMWATCH 為您顯示真正導致問題的行。如果您釋放一個已經釋放過的指針，它會告訴您。對於沒有釋放的內存也一樣。日志結尾部分顯示統計信息，包括洩漏了多少內存，使用了多少內存，以及總共分配了多少內存。

　　YAMD
　　YAMD 軟件包由 Nate Eldredge 編寫，可以查找 C 和 C++ 中動態的、與內存分配有關的問題。在撰寫本文時，YAMD 的最新版本為 0.32。請下載 yamd-0.32.tar.gz（請參閱參考資料）。執行 make 命令來構建程序；然後執行 make install 命令安裝程序並設置工具。

　　一旦您下載了 YAMD 之後，請在 test1.c 上使用它。請刪除 #include memwatch.h 並對 makefile 進行如下小小的修改：使用 YAMD 的 test1。

CODE:gcc -g test1.c -o test1

　　清單 3 展示了來自 test1 上的 YAMD 的輸出。

CODE:YAMD version 0.32
Executable: /usr/src/test/yamd-0.32/test1
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40028e00, size 512
...
INFO: Normal deallocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
ERROR: Multiple freeing At
free of pointer already freed
Address 0x40025e00, size 512
...
WARNING: Memory leak
Address 0x40028e00, size 512
WARNING: Total memory leaks:
1 unfreed allocations totaling 512 bytes

*** Finished at Tue ... 10:07:15 2002
Allocated a grand total of 1024 bytes 2 allocations
Average of 512 bytes per allocation
Max bytes allocated at one time: 1024
24 K alloced internally / 12 K mapped now / 8 K max
Virtual program size is 1416 K
End.

清單 3. 使用 YAMD 的 test1 輸出
　　YAMD 顯示我們已經釋放了內存，而且存在內存洩漏。讓我們在清單 4 中另一個樣本程序上試試 YAMD。

CODE:#include "STDLIB.H"
#include "STDIO.H"

int main(void)
{
char *ptr1;
char *ptr2;
char *chptr;
int i = 1;
ptr1 = malloc(512);
ptr2 = malloc(512);
chptr = (char *)malloc(512);
for (i; i <= 512; i++) {
chptr = 'S';
}
ptr2 = ptr1;
free(ptr2);
free(ptr1);
free(chptr);
}

清單 4. 內存代碼（test2.c）
　　您可以使用下面的命令來啟動 YAMD：

CODE:./run-yamd /usr/src/test/test2/test2

　　清單 5 顯示了在樣本程序 test2 上使用 YAMD 得到的輸出。YAMD 告訴我們在 for 循環中有“越界（out-of-bounds）”的情況。

CODE:Running /usr/src/test/test2/test2
Temp output to /tmp/yamd-out.1243
*********
./run-yamd: line 101: 1248 Segmentation fault (core dumped)
YAMD version 0.32
Starting run: /usr/src/test/test2/test2
Executable: /usr/src/test/test2/test2
Virtual program size is 1380 K
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40025e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x40028e00, size 512
...
INFO: Normal allocation of this block
Address 0x4002be00, size 512
ERROR: Crash
...
Tried to write address 0x4002c000
Seems to be part of this block:
Address 0x4002be00, size 512
...
Address in question is