Depurando com o GDB

Aprendendo a usar o depurador GDB do projeto GNU.

O GDB é um depurador de linha de comando que faz parte do projeto GNU. O Mingw-w64 já instala o GDB junto com o GCC, e no Linux ele pode ser instalado pelo pacote gdb:

$ sudo apt install gdb

O GDB pode ser usado para depurar código tanto visualizando o Assembly como também o código-fonte. Para isso é necessário compilar o binário adicionando informações de depuração, com o GCC basta adicionar a opção -g3 ao compilar. Exemplo:

$ gcc -g3 test.c -o test

E pode rodar o GDB passando o caminho do binário assim:

$ gdb ./test

O caminho do binário é opcional. Caso especificado o GDB já inicia com esse binário como alvo para depuração, mas existem comandos do GDB que podem ser usados para escolher um alvo conforme será explicado mais abaixo.

O GDB funciona com comandos, quando você o inicia ele te apresenta um prompt onde você pode ir inserindo comandos para executar determinadas ações. Mais abaixo irei apresentar os principais comandos e como utilizá-los.

Esse depurador suporta depurar código de diversas linguagens de programação (incluindo C++, Go e Rust), mas aqui será demonstrado seu uso somente em um código escrito em C. O seguinte código será usado para demonstração:

test.c

#include <stdio.h>

#define DEFINED_VALUE 12345

int add(int a, int b)
{
  return a + b;
}

int main(int argc, char **argv)
{
  char str[] = "a =";
  int x = 8;

  printf("%s %d\n", str, add(x, 3));
  return 0;
}

E será compilado da seguinte forma:

$ gcc -g3 test.c -o test

A opção -g é usada para adicionar informações de depuração ao executável. Esse 3 seria o nível de informações que serão adicionadas, onde 3 é o maior nível.

Para mais informações consulte a documentação do GCC.

Expressões

Determinadas instruções do GDB recebem uma expressão como argumento onde é possível usar qualquer tipo de constante, variável ou operador da linguagem que está sendo depurada (neste caso C). Isso inclui casts, strings literais, macros e até mesmo chamadas de funções. Logo a expressão interpretada é quase idêntica a uma expressão que você escreveria na linguagem que está sendo depurada (no nosso caso C).

Também é possível referenciar o valor de algum registrador na expressão usando o prefixo $, como $rax por exemplo. Na imagem abaixo é uma demonstração usando o comando print:

Comandos

O GDB aceita abreviações dos comandos, onde ele identifica o comando a ser executado de acordo com suas primeiras letras ou abreviações definidas pelo depurador. Por exemplo o comando breakpoint pode ser executado também como break, br ou apenas b.

Ao apertar enter sem digitar nenhum comando o GDB irá reexecutar o último comando que você executou.

quit

quit [EXPR]

Finaliza o GDB. A expressão opcional é avaliada e o resultado dela é usado como código de saída. Se a expressão não for passada o GDB sai com código 0.

file

file FILE

Usa o arquivo binário especificado como alvo para depuração. O programa é procurado no diretório atual ou em qualquer caminho registrado na variável de ambiente PATH.

attach e detach

attach <process-id>
detach

O comando attach faz o attach no processo de ID especificado. Já o comando detach desfaz o attach no processo que está atualmente conectado.

Você também pode iniciar a execução do GDB com a opção -p para ele já inicializar fazendo attach em um processo, como em:

$ gdb -p 12345

breakpoint

break [PROBE_MODIFIER] [LOCATION] [thread THREADNUM] [if CONDITION]

Se o comando for executado sem qualquer argumento o breakpoint será adicionado na instrução atual.

LOCATION é a posição onde o breakpoint deve ser inserido e pode ser o número de uma linha, endereço ou posição explícita.

Ao especificar o número da linha, o nome do arquivo e o número da linha são separados por :. Se não especificar o nome do arquivo o breakpoint será adicionado a linha do arquivo atual. Exemplos:

(gdb) b 15
(gdb) b test.c:17

Onde o primeiro adicionaria o breakpoint na linha 15 do arquivo atual, e o segundo adicionaria na linha 17 do arquivo test.c.

O endereço pode ser simplesmente o nome de uma função ou então uma expressão, onde nesse caso é necessário usar * como prefixo ao símbolo ou endereço de memória. Como em:

(gdb) b main
(gdb) b *main + 8
(gdb) b *0x12345

No primeiro caso um breakpoint seria adicionado a função main. No segundo caso o endereço da primeira instrução da função main seria somado com 8, e o endereço resultante seria onde o breakpoint seria inserido. Já no terceiro caso o breakpoint seria inserido no endereço 0x12345.

Também é possível especificar para qual thread o breakpoint deve ser inserido, onde por padrão o breakpoint é válido para todas as threads. Exemplo:

(gdb) b add thread 2

Isso adicionaria o breakpoint somente para a thread de ID 2.

É possível usar o comando info threads para obter a lista de threads e seus números de identificação.

E por fim dá para adicionar uma condição de parada ao breakpoint. Onde CONDITION é uma expressão booleana. Exemplo:

(gdb) b 7 if a == 8

Onde no contexto do nosso código de exemplo, a seria o primeiro parâmetro da função add.

clear

clear [LOCATION]

Remove um breakpoint no local especificado. LOCATION funciona da mesma forma que no comando breakpoint.

Caso LOCATION não seja especificado remove o breakpoint na posição atual.

run

run [arg1, arg2, arg3...]

O comando run inicia (ou reinicia) a execução do programa alvo. Opcionalmente pode-se passar argumentos de linha de comando para o programa. Caso os argumentos não sejam especificados, os mesmos argumentos utilizados na última execução de run serão utilizados.

Nos argumentos é possível usar o caractere curinga *, ele será expandido pela shell do sistema. Também é possível usar os redirecionadores <, > ou >>.

kill

Finaliza a execução do programa que está sendo depurado.

start, starti

start [arg1, arg2, arg3...]
starti [arg1, arg2, arg3...]

O uso desses dois comandos é idêntico ao uso de run. Porém o comando start inicia a execução do programa parando no começo da função main. Já o starti inicia parando na primeira instrução do programa.

next, nexti

next [N]
nexti [N]

O comando next (ou apenas n) executa uma linha de código. Se N for especificado ele executa N linhas de código. Já o comando nexti (ou apenas ni) executa uma ou N instruções Assembly.

Os dois comandos atuam como um step over, ou seja, não entram em chamadas de procedimentos.

step, stepi

step [N]
stepi [N]

O step (ou s) executa uma ou N linhas de código. Já o stepi (ou si) executa uma ou N instruções Assembly. Os dois comandos entram em chamadas de procedimentos.

jump

jump LOCATION

Salta (modifica RIP) para o ponto do código especificado. Onde LOCATION é idêntico ao caso do comando breakpoint onde é possível especificar um número de linha ou endereço.

advance

advance LOCATION

Esse comando continua a execução do programa até o ponto do código especificado, daí para a execução lá. Assim como na instrução jump, o comando advance (ou adv) recebe um LOCATION como argumento.

O comando advance também para quando a função atual retorna.

finish

Executa até o retorno da função atual. Quando a função retorna é criada uma variável (como no caso do comando print) com o valor de retorno da função.

continue

Continua a execução normal do programa.

record e reverse-*

Imagine que mágico seria se o depurador pudesse voltar no tempo e desfazer as instruções executadas no programa, fazendo ele executar de maneira reversa parecido com rebobinar uma fita. Bom, o GDB pode fazer isso. 😎

Quando o programa já está em execução você pode executar o comando record full para iniciar a gravação das instruções executadas e record stop para parar de gravar.

Quando há a gravação é possível executar o programa em ordem reversa usando os comandos: reverse-step (rs), reverse-stepi (rsi), reverse-next (rn), reverse-nexti (rni) e reverse-continue (rc).

Esses comandos fazem a mesma coisa que os comandos normais, porém executando o programa ao reverso. Cada instrução revertida tem suas modificações na memória ou registradores desfeitas. Conforme demonstra a imagem abaixo.

Outros subcomandos de record são:

record goto

Salta para uma determinada instrução que foi gravada. Pode-se usar record goto begin para voltar ao início da gravação (desfazendo todas as instruções), record goto end para ir para o final da gravação ou record goto N onde N seria o número da instrução na gravação para saltar para ela.

record save <filename>

Salva os logs de execução no arquivo.

record restore <filename>

Restaura os logs de execução a partir do arquivo.

thread

thread <thread-id>
thread apply <thread-id> <command>
thread find <regex>
thread name <thread-name>

O comando thread pode ser usado para trocar entre threads do processo. Você pode usar o comando info threads para listar as threads do processo e obter seus ID. Exemplo:

(gdb) thread 2

Isso trocaria para a thread de ID 2. Esse comando também tem os seguintes subcomandos:

thread apply

Executa um comando na thread especificada.

thread name

Define um nome para a thread atual, facilitando a identificação dela.

thread find

Recebe uma expressão regular como argumento que é usada para listar as threads cujo o nome coincida com a expressão regular. O comando exibe o ID das threads listadas.

print

print[/FMT] [EXPR]

O comando print (ou p) exibe no terminal o resultado da expressão passada como argumento. Opcionalmente pode-se especificar o formato de saída, onde os formatos são os mesmos utilizados no comando x. Exemplo:

(gdb) p/x 15
$1 = 0xf

Repare que a cada execução do comando print ele define uma variável ($1, $2 etc.) que armazena o resultado da expressão do comando. Você também pode usar o valor dessas variáveis em uma expressão e assim reaproveitar o resultado de uma execução anterior do comando. Os símbolos $ e $$ se referem aos valores da última e penúltima execução do comando, respectivamente. Exemplo:

(gdb) p x + $3

Existe também o operador binário @ que pode ser usado para tratar o valor no endereço especificado como uma array. O formato do uso desse operador é array@size, passando à esquerda o primeiro elemento da array.

Onde o tipo de cada elemento da array é definido de acordo com o tipo do objeto que está sendo referenciado. Na imagem abaixo é demonstrado o uso desse operador para visualizar todo o conteúdo da array argv.

printf

printf "format string", ARG1, ARG2, ARG3, ..., ARG

Esse comando pode ser usado de maneira semelhante a função printf da libc. Cada argumento é separado por vírgula e o primeiro argumento é a format string que suporta quase todos os formatos suportados pela função printf. Os demais argumentos são expressões.

Exemplo de uso:

(gdb) printf "%p\n", $rsp
0x7fffffffdf20

dprintf

dprintf LOCATION, "format string", ARG1, ARG2, ARG3, ..., ARG

Esse comando insere um breakpoint no código onde, toda vez que ele é alcançado, o comando printf é executado e depois a execução continua. O uso desse comando é semelhante ao do comando printf. Exemplo:

(gdb) dprintf 7, "%d + %d\n", a, b

No nosso código de exemplo, isso inseria o dynamic printf na linha 7 que está dentro da função add. Conforme a imagem abaixo demonstra:

x

x[/FMT] ADDRESS

O comando x serve para ver valores na memória. O argumento FMT (opcional) é o número de valores a serem exibidos, seguido de uma letra indicando o formato do valor seguido de uma letra que indica o tamanho do valor. Por padrão exibe apenas um valor caso o número não seja especificado. O formato e tamanho padrão é o mesmo utilizado na última execução do comando x.

As letras de formato são: o (octal), x (hexadecimal), d (decimal), u (decimal não-sinalizado), t (binário), f (float), a (endereço), i (instrução), c (caractere de 1 byte), s (string) e z (hexadecimal com zeros à esquerda).

Ao usar o formato i será feito o disassembly do código no endereço. O número de valores é usado para especificar o número de instruções para fazer o disassembly.

Exemplo:

(gdb) x/x 0x7fffffffdf64
0x7fffffffdf64:	0x003d2061

As letras de tamanho são: b (byte), h (metade de uma palavra), w (palavra) e g (giant, 8 bytes). Na arquitetura x86-64 uma palavra é 32-bit (4 bytes).

Exemplos:

(gdb) x/xb 0x7fffffffdf64
0x7fffffffdf64:	0x61
(gdb) x/4xb 0x7fffffffdf64
0x7fffffffdf64:	0x61	0x20	0x3d	0x00

disassembly

disassembly[/MODIFIER] [ADDRESS]
disassembly[/MODIFIER] start,end
disassembly[/MODIFIER] start,+length

O comando disassembly (ou disas) pode ser usado para exibir o disassembly de uma função ou range de endereço. O argumento ADDRESS (opcional) é uma expressão, sem esse argumento ele faz o disassembly na posição ou função atual.

Também é possível especificar um range de endereços para exibir o dissasembly das instruções, separando o endereço inicial e final por vírgula. Se usar o + no segundo argumento separado por vírgula, ele é considerado como o tamanho em bytes do range iniciado em start.

Exemplos:

(gdb) disas 0x00005555555551b4,0x00005555555551b9
Dump of assembler code from 0x5555555551b4 to 0x5555555551b9:
   0x00005555555551b4 <main+51>:	mov    $0x3,%esi
End of assembler dump.
(gdb) disas 0x00005555555551b4,+5
Dump of assembler code from 0x5555555551b4 to 0x5555555551b9:
   0x00005555555551b4 <main+51>:	mov    $0x3,%esi
End of assembler dump.

O argumento MODIFIER é uma (ou mais) das seguintes letras:

s - Exibe também as linhas de código correspondentes as instruções em Assembly.
r - Também exibe o código de máquina em hexadecimal.

Exemplo:

(gdb) disas/rs 0x00005555555551b4,+5
Dump of assembler code from 0x5555555551b4 to 0x5555555551b9:
test.c:
15	  printf("%s %d\n", str, add(x, 3));
   0x00005555555551b4 <main+51>:	be 03 00 00 00	mov    $0x3,%esi
End of assembler dump.

Por padrão o disassembly é feito em sintaxe AT&T, mas você pode modificar para sintaxe Intel com o comando: set disassembly-flavor intel

list

list
list LINENUM
list FILE:LINENUM
list FUNCTION
list FILE:FUNCTION
list *ADDRESS

Exibe a listagem de código na linha ou início da função especificada. Um endereço também pode ser especificado usando um * como prefixo, as linhas de código correspondentes ao endereço serão exibidas.

Caso list seja executado sem argumentos mais linhas são exibidas a partir da última linha exibida pela última execução de list.

O número de linhas exibido é por padrão 10, mas esse valor pode ser alterado com o comando set listsize <number-of-lines>.

backtrace

backtrace [COUNT]

O comando backtrace (ou bt) exibe o stack backtrace atual. O argumento COUNT é o número máximo de stack frames que serão exibidos. Se for um número negativo exibe os primeiros stack frames.

Exemplo:

(gdb) bt
#0  add (a=8, b=3) at test.c:7
#1  0x00005555555551c0 in main (argc=1, argv=0x7fffffffe068) at test.c:15

frame

frame [FRAME_NUMBER]

Sem argumentos exibe o stack frame selecionado. Caso seja especificado um número como argumento, seleciona e exibe o stack frame indicado pelo número. Esse número pode ser consultado com o comando backtrace.

Esse comando tem os seguintes subcomandos:

frame address

frame address STACK_ADDRESS

Exibe o stack frame no endereço especificado.

frame apply

frame apply COUNT COMMAND
frame apply all COMMAND
frame apply level FRAME_NUMBER COMMAND

O comando frame apply executa o mesmo comando em um ou mais stack frames. Esse subcomando é útil, por exemplo, para ver o valor das variáveis locais que estão em uma função de outro stack frame além do atual.

COUNT é o número de frames onde o comando será executado. Por exemplo frame apply 2 p x executaria o comando print nos últimos 2 frames (o atual e o anterior).

O frame apply all executa o comando em todos os frames. Já o frame apply level executa o comando em um frame específico. exemplo:

(gdb) frame apply level 1 info locals
#1  0x00005555555551c0 in main (argc=1, argv=0x7fffffffe068) at test.c:15
str = "a ="
x = 8

frame function

frame function FUNCTION_NAME

Exibe o stack frame da função especificada.

frame level

frame level FRAME_NUMBER

Exibe o stack frame do número especificado.

info

O comando info contém diversos subcomandos para exibir informações sobre o programa que está sendo depurado. Abaixo será listado apenas os subcomandos principais.

info registers

Exibe os valores dos registradores. Pode-se passar como argumento uma lista (separada por espaço) dos registradores para exibir. Sem argumentos exibe o valor de todos os registradores de propósito geral, registradores de segmento e EFLAGS. Exemplo:

(gdb) info reg rax rbx

info frame

O uso desse subcomando é semelhante ao uso do comando frame e contém os mesmos subcomandos. A diferença é que ele exibe todas as informações relacionadas ao stack frame. Enquanto o comando frame apenas exibe informações de um ponto de vista de alto-nível.

info args

info args [NAMEREGEXP]

Exibe os argumentos passados para a função do stack frame atual. Se NAMEREGEXP for especificado exibe apenas os argumentos cujo o nome coincida com a expressão regular.

info locals

info locals [NAMEREGEXP]

Uso idêntico ao de info args só que exibe o valor das variáveis locais.

info functions

info functions [NAMEREGEXP]

Exibe todas as funções cujo o nome coincida com a expressão regular. Se o argumento não for especificado lista todas as funções.

info breakpoints

Exibe os breakpoints definidos no programa.

info source

Exibe informações sobre o código-fonte atual.

info threads

Lista as threads do processo.

display e undisplay

display[/FMT] EXPRESSION
undisplay [NUM]

Esse comando pode ser usado da mesma maneira que o comando print. Ele registra uma expressão para ser exibida a cada vez que a execução do processo faz uma parada. Exemplo:

(gdb) display/7i $rip

Isso exibiria o disassembly de 7 instruções a partir de RIP a cada passo executado.

Se display for executado sem argumentos ele exibe todas as expressões registradas para auto-display.

Enquanto o comando undisplay remove a expressão com o número especificado. Sem argumentos remove todas as expressões registradas por display.

source

source FILE

Carrega o arquivo especificado e executa os comandos no arquivo como um script.

Quando o GDB inicia ele faz o source automático do script de nome .gdbinit presente na sua pasta home. Exceto se o GDB for iniciado com a flag --nh.

help

O comando help, sem argumentos, lista as classes de comandos. É possível rodar help CLASS para obter a lista de comandos daquela classe.

Também é possível rodar help COMMAND para obter ajuda para um comando específico, pode-se inclusive usar abreviações. E também é possível obter ajuda para subcomandos, conforme exemplos:

(gdb) help ni
(gdb) help info reg
(gdb) help frame apply level

Text User Interface (TUI)

É possível usar o GDB com uma interface textual permitindo que seja mais agradável acompanhar a execução enquanto observa o código-fonte. Para isso basta iniciar o GDB com a flag -tui, como em:

$ gdb -tui ./test

Atalhos de teclado

Atalho de teclado

Descrição

Ctrl+x a

O atalho Ctrl+x a (Ctrl+x seguido da tecla a) alterna para o modo TUI caso tenha iniciado o GDB normalmente.

Ctrl+x 1

Alterna para o layout de janela única.

Ctrl+x 2

Alterna para o layout de janela dupla. Quando já está no layout de janela dupla o próximo layout com duas janelas é selecionado. Onde é possível exibir código-fonte+Assembly, registradores+Assembly e registradores+código-fonte.

Ctrl+x o

Muda a janela ativa.

Ctrl+x s

Muda para o modo Single Key Mode.

PgUp

Rola a janela ativa uma página para cima.

PgDn

Rola a janela ativa uma página para baixo.

↑ (Up)

Rola a janela ativa uma linha para cima.

↓ (Down)

Rola a janela ativa uma linha para baixo.

← (Left)

Rola a janela ativa uma coluna para a esquerda.

→ (Right)

Rola a janela ativa uma coluna para a direita.

Ctrl+L

Redesenha a tela.

Single Key Mode

Quando se está no modo Single Key é possível executar alguns comandos pressionando uma única tecla, conforme tabela abaixo:

Tecla

Comando

Nota

continue

down

finish

nexti

"o" de step over.

Sai do modo Single Key.

run

step

stepi

info locals

"v" de variables.

where

Alias para o comando backtrace.

Qualquer outra tecla alterna temporariamente para o modo de comandos. Após um comando ser executado ele retorna para o modo Single Key.

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