Lab01: Debugging Tools & C Programming¶

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Exercise 1: See what you can C¶

目标¶

学习C语言宏定义（Macro）的基础用法，理解预处理阶段的作用。

关键概念¶

宏定义：通过 #define 替换文本，分为无参宏和带参宏。

C

#define PI 3.14              // 无参宏
#define SQUARE(x) ((x)*(x))  // 带参宏（注意括号避免运算符优先级问题）

调试宏：利用宏输出调试信息，结合条件编译控制是否启用：

C

#ifdef DEBUG
#define LOG(msg) printf("DEBUG: %s\n", msg)
#else
#define LOG(msg)
#endif

防止头文件重复包含：

C

#ifndef HEADER_H
#define HEADER_H
// 头文件内容
#endif

Exercise 2: Catch those bugs (GDB/cgdb 实战)¶

目标¶

掌握GDB调试器核心命令，理解断点、单步执行、变量监控等操作。

核心命令对比表¶

操作	GDB命令	简写	说明
设置参数	`set args <...>`	-	程序启动参数
设置断点	`break <loc>`	`b`	函数名/行号/文件:行号
单步执行（不进入函数）	`next`	`n`	执行下一行代码
单步进入函数	`step`	`s`	进入函数内部
继续运行	`continue`	`c`	运行到下一个断点
打印变量	`print <expr>`	`p`	支持表达式如 `p *(arr+5)`
自动显示变量	`display <var>`	-	每步后自动显示值
查看局部变量	`info locals`	-	当前栈帧所有局部变量
退出GDB	`quit`	`q`	退出调试器

高级技巧¶

条件断点：当变量满足条件时暂停
Text Only
```
break 20 if i == 5
```
修改变量值：动态调试时修改运行状态
Text Only
```
set variable x = 10
```

查看内存布局：

Text Only

x/8wx &array  # 以16进制查看数组前8个字

cgdb优势：分屏界面（上代码/下命令），支持Vi快捷键（按Esc进入代码窗口，方向键浏览）。

Exercise 3: Debugging with User Input (输入重定向)¶

目标¶

避免调试交互式程序时手动输入，通过重定向预定义输入。

操作步骤¶

创建输入文件 input.txt：
Text Only
```
John
CS61C
```
命令行重定向：
Bash
```
./int_hello < input.txt
```

在GDB中使用重定向：

Text Only

(gdb) run < input.txt
# 或提前设置参数
(gdb) set args < input.txt
(gdb) run

原理¶

< 操作符：将文件内容重定向到程序的标准输入（stdin）。
管道技巧：结合 echo 快速测试
Bash
```
echo -e "John\nCS61C" | ./int_hello
```

Exercise 4: Valgrind'ing away (内存检测)¶

目标¶

使用Valgrind检测内存错误（如越界访问、内存泄漏）。

关键命令¶

Bash

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./your_program

常见错误类型¶

Invalid read/write：越界访问内存

C

int arr[5];
arr[5] = 10;  // 越界（合法索引0-4）

Memory leak：未释放动态分配的内存

C

int *p = malloc(10 * sizeof(int));
// 忘记 free(p);

Use of uninitialized value：使用未初始化变量
C
```
int x;
printf("%d", x);  // x未初始化
```

Valgrind输出解读¶

Definitely lost：明确的内存泄漏（需优先修复）。
Indirectly lost：因结构体嵌套导致泄漏。
Suppression：通过配置文件忽略第三方库的误报。

Exercise 5: Pointers and Structures in C (链表环检测)¶

目标¶

实现快慢指针算法检测链表环。

算法思路¶

C

bool ll_has_cycle(node *head) {
    node *fast = head, *slow = head;
    while (fast && fast->next) {
        slow = slow->next;
        fast = fast->next->next;
        if (slow == fast) {
            return true;
        }
    }
    return false;
}

测试技巧¶

编译命令：

Bash

gcc -g -o test_ll_cycle test_ll_cycle.c ll_cycle.c

GDB调试指针：

Text Only

(gdb) p *slow   # 查看节点内容
(gdb) x/3x slow # 查看内存地址处的3个字（16进制）

附录：常用调试策略¶

最小化复现：将问题代码剥离到最小可编译示例。
二分法排查：通过注释代码逐步缩小问题范围。
防御性编程：使用 assert() 验证假设条件。
日志输出：在关键路径添加 printf 调试（提交前移除）。