GNUデバッガ

GNUデバッガ
開発元	GNUプロジェクト
初版	1986年 (38年前)
最新版	12.1 / 2022年5月1日 (2年前)
リポジトリ	sourceware.org/git/binutils-gdb.git;
プログラミング; 言語	C
対応OS	Unix-like, Windows
種別	デバッガ
ライセンス	GPL
公式サイト	gnu.org/software/gdb/
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GNUデバッガ（単にGDBとも）は、GNUソフトウェア・システムで動く標準のデバッガである。これは、多くのUnix系システムで動作可能な移植性の高いデバッガであり、Ada、C言語、C++、Objective-C、Pascal、FORTRAN、FreeBASIC、Goといったプログラミング言語に対応している^[2]^[3]。

歴史

GDBは初め、GNU Emacs が「そこそこ安定化」した後、1986年にGNU システムの一部としてリチャード・ストールマンが書いた^[4]。GDBは、GNU General Public License (GPL) の下でリリースしているフリーソフトウェアである。これは、BSDに付属していたdbx（英語版）デバッガをモデルにしている^[4]。

1990年から1993年まではジョン・ギルモアが保守をしていた^[5]。現在はFree Software Foundationによって任命されたGDB運営委員会によって保守されている^[6]。

技術詳細

機能

GDBは、プログラムの実行の変更や追跡といった充実した機能を提供する。プログラム内部の変数の値を修正したり、監視したりすることや、プログラムの通常の動作とは別に関数を呼び出すことができる。

2003年現在、GDBのターゲット・プロセッサは、以下のとおりである。

標準リリースでサポートされている、さほど有名でないターゲット・プロセッサには、以下がある。

新しいリリースでは、これらの一部をサポートしていない可能性がある。GDBには、M32RやV850といった、日本製のCPUをターゲットにしたコンパイル済みのシミュレータがある^[7]。

GDBはまだ活発に開発されている。バージョン7.0の新機能には、Pythonスクリプトのサポートが含まれ^[8]、バージョン7.8ではGNU Guileスクリプトもサポートされている^[9]。バージョン7.0からは「リバーシブルデバッグ」がサポートされている。これは、クラッシュしたプログラムを巻き戻して何が起こったのかを確認するように、デバッグセッションを後退させることができる^[10]。

遠隔デバッグ

GDBには「遠隔」モードがあり、しばしば組込みシステムのデバッグで使われる。遠隔操作では、GDBとデバッグ対象のプログラムは別のマシンで動作する。GDBは、GDBプロトコルをシリアルやTCP/IP経由で理解する遠隔「スタブ」と通信することができる^[11]。スタブプログラムは、通信プロトコルのターゲット側を実装したGDB付属の適切なスタブファイルにリンクすることで作成できる^[12]。または、gdbserver（英語版）を使用して、プログラムを変更せずにリモートでデバッグすることもできる。

GDBを使い、動いているLinuxカーネルをソース・レベルでデバッグするKGDBでも、同じモードを使っている。KGDBを使い、カーネル開発者は、アプリケーション・プログラムのようにカーネルをデバッグできる。カーネル・コードにブレークポイントを設定でき、ステップ動作ができ、変数を参照できる。ハードウェアのデバッグ・レジスタ (debugging register) が使えるアーキテクチャでは、ウォッチポイントが設定できる。ウォッチポイントとは、特定のメモリー・アドレスを実行したり、アクセスしたときのブレークポイントをかけるものである。KGDBには、シリアルケーブルやイーサネットを使ってデバッグ対象マシンに繋がったマシンが必要となる。FreeBSDでは、FireWire DMAを使ったデバッグもできる^[13]。

グラフィカルユーザーインタフェース

このデバッガは、グラフィカルユーザインタフェース (GUI) は含まれておらず、デフォルトはコマンドラインユーザインタフェース (CUI) である。UltraGDB、Xxgdb、Data Display Debugger (DDD)、Nemiver、KDbg、Xcode デバッガ、GDBtk/Insight、HP Wildebeest Debugger GUI (WDB GUI) など、いくつかのフロントエンドが構築されている。Codelite、Code::Blocks、Dev-C++、Geany、GNAT Programming Studio (GPS)、KDevelop、Qt Creator、Lazarus、MonoDevelop、Eclipse、NetBeans、Visual Studioなどの統合開発環境は、GDBとインターフェースをとることができる。GNU Emacsには「GUDモード」があり、VIM用のツールが存在する(例: clewn)。これらのツールはIDEにあるデバッガと同様の機能を提供する。

他にも、メモリリーク検出器など、GDBと連動するように設計されたデバッグツールもある。

コマンド例

`gdb program`	"program" をデバッグ (シェル上で操作)
`run -v`	ロードされたprogramをパラメータを指定して実行
`bt`	バックトレース (programがクラッシュした場合)
`info registers`	すべてのレジスタをダンプ
`disas $pc-32, $pc+32`	逆アセンブル(等価なコマンドは x/64i $pc-32^[14] )

セッション例

C言語で書かれた以下のソースコードを考える。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

size_t foo_len( const char *s )
{
  return strlen( s );
}

int main( int argc, char *argv[] )
{
  const char *a = NULL;

  printf( "size of a = %lu\n", foo_len(a) );

  exit( 0 );
}

Linux上のGCCコンパイラを使用する場合、生成されたバイナリに適切なデバッグ情報を含めるために-gフラグを使用して上記のコードをコンパイルしなければならない。これにより、GDBを使用してバイナリを検査できる。上記のコードを含むファイルが example.c という名前であると仮定すると、コンパイルのためのコマンドは次の様になる。

$ gcc example.c -Og -g -o example

そして、バイナリを実行できるようになった。

$ ./example
Segmentation fault

サンプルコードを実行するとセグメンテーションフォールトが発生するので、GDBを使用して問題を検査することができる。

$ gdb ./example
GNU gdb (GDB) Fedora (7.3.50.20110722-13.fc16)
Copyright (C) 2011 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <https://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "x86_64-redhat-linux-gnu".
For bug reporting instructions, please see:
<https://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...
Reading symbols from /path/example...done.
(gdb) run
Starting program: /path/example

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x0000000000400527 in foo_len (s=0x0) at example.c:8
8	  return strlen (s);
(gdb) print s
$1 = 0x0

この問題は8行目にあり、strlen関数を呼び出す際に発生する (引数 s が NULL であるため)。strlen の実装 (インライン関数かどうか) に応じて出力が異なる場合がある。

コマンド bt でプログラムのスタック・トレースをとると、main関数からソースコードの階層を降りてstrlen関数が呼び出されている流れを確かめられる。

GNU gdb (GDB) 7.3.1
Copyright (C) 2011 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <https://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "i686-pc-linux-gnu".
For bug reporting instructions, please see:
<https://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...
Reading symbols from /tmp/gdb/example...done.
(gdb) run
Starting program: /tmp/gdb/example

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0xb7ee94f3 in strlen () from /lib/i686/cmov/libc.so.6
(gdb) bt
#0  0xb7ee94f3 in strlen () from /lib/i686/cmov/libc.so.6
#1  0x08048435 in foo_len (s=0x0) at example.c:8
#2  0x0804845a in main (argc=<optimized out>, argv=<optimized out>) at example.c:16

この問題を修正するには、変数 a (main関数内) に有効な文字列を含まなければならない。コードの修正版は次の通りである。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

size_t foo_len( const char *s )
{
  return strlen(s);
}

int main( int argc, char *argv[] )
{
  const char *a = "This is a test string";

  printf( "size of a = %lu\n", foo_len(a) );

  exit( 0 );
}

GDB内で実行ファイルを再コンパイルして実行すると、正しい結果が得られるようになった。

GNU gdb (GDB) Fedora (7.3.50.20110722-13.fc16)
Copyright (C) 2011 Free Software Foundation, Inc.
License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later <https://gnu.org/licenses/gpl.html>
This is free software: you are free to change and redistribute it.
There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.  Type "show copying"
and "show warranty" for details.
This GDB was configured as "x86_64-redhat-linux-gnu".
For bug reporting instructions, please see:
<https://www.gnu.org/software/gdb/bugs/>...
Reading symbols from /path/example...done.
(gdb) run
Starting program: /path/example
size of a = 21
[Inferior 1 (process 14290) exited normally]

GDBは printf の出力を画面に表示し、プログラムが正常に終了したことをユーザに知らせる。

脚注

^ Brobecker, Joel (2022年5月1日). “GDB 12.1 released!”. 2022年5月17日閲覧。
^ “GDB Documentation - Supported Languages”. 2011年11月28日閲覧。
^ “GDB Documentation - Summary”. 2011年11月28日閲覧。
^ ^a ^b “Richard Stallman lecture at the Royal Institute of Technology, Sweden (1986-10-30)”. 2006年9月21日閲覧。 “Then after GNU Emacs was reasonably stable, which took all in all about a year and a half, I started getting back to other parts of the system. I developed a debugger which I called GDB which is a symbolic debugger for C code, which recently entered distribution. Now this debugger is to a large extent in the spirit of DBX, which is a debugger that comes with Berkeley Unix.”
^ “John Gilmore (activist)”. hyperleap.com. 2020年10月19日閲覧。
^ “GDB Steering Committee”. 2008年5月11日閲覧。
^ “GDB Documentation - Summary - Contributors”. 2011年12月1日閲覧。
^ “GDB 7.0 Release Notes”. 2011年11月28日閲覧。
^ Joel Brobecker (2014年7月29日). “GDB 7.8 released!”. 2014年7月30日閲覧。
^ “Reverse Debugging with GDB”. 2014年1月20日閲覧。
^ “Howto: GDB Remote Serial Protocol: Writing a RSP Server”. 2020年10月19日閲覧。
^ “Implementing a remote stub”. 2020年10月19日閲覧。
^ “Kernel debugging with Dcons”. 2020年10月19日閲覧。
^ “10.6 Examining Memory”. 2020年12月30日閲覧。

外部リンク

GDB公式Webサイト
KGDB: Linux Kernel Source Level Debugger
Debugging with GDB - htmlと400ページ以上のPDF
A Visual Studio plugin for debugging with GDB
Comparison of GDB front-ends, 2013

ドキュメント

Richard M. Stallman, Roland Pesch, Stan Shebs, et al., Debugging with GDB (Free Software Foundation, 2002) ISBN 1-882114-88-4
GDB Internals

チュートリアル

RMS's gdb Tutorial (Ryan Michael Schmidt, not Richard Matthew Stallman)

[1] Brobecker, Joel (2022年5月1日). “GDB 12.1 released!”. 2022年5月17日閲覧。

[2] “GDB Documentation - Supported Languages”. 2011年11月28日閲覧。

[3] “GDB Documentation - Summary”. 2011年11月28日閲覧。

[stallman-quote-1986-4] “Richard Stallman lecture at the Royal Institute of Technology, Sweden (1986-10-30)”. 2006年9月21日閲覧。 “Then after GNU Emacs was reasonably stable, which took all in all about a year and a half, I started getting back to other parts of the system. I developed a debugger which I called GDB which is a symbolic debugger for C code, which recently entered distribution. Now this debugger is to a large extent in the spirit of DBX, which is a debugger that comes with Berkeley Unix.”

[5] “John Gilmore (activist)”. hyperleap.com. 2020年10月19日閲覧。

[6] “GDB Steering Committee”. 2008年5月11日閲覧。

[7] “GDB Documentation - Summary - Contributors”. 2011年12月1日閲覧。

[8] “GDB 7.0 Release Notes”. 2011年11月28日閲覧。

[9] Joel Brobecker (2014年7月29日). “GDB 7.8 released!”. 2014年7月30日閲覧。

[10] “Reverse Debugging with GDB”. 2014年1月20日閲覧。

[11] “Howto: GDB Remote Serial Protocol: Writing a RSP Server”. 2020年10月19日閲覧。

[12] “Implementing a remote stub”. 2020年10月19日閲覧。

[13] “Kernel debugging with Dcons”. 2020年10月19日閲覧。

[14] “10.6 Examining Memory”. 2020年12月30日閲覧。

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