与调试器共舞 – LLDB 的华尔兹

你是否曾经苦恼于理解你的代码,而去尝试打印一个变量的值?

或者跳过一个函数调用来简化程序的行为?

或者短路一个逻辑检查?

或者伪造一个函数实现?

并且每次必须重新编译,从头开始?

构建软件是复杂的,并且 Bug 总会出现。一个常见的修复周期就是修改代码,编译,重新运行,并且祈祷出现最好的结果。

但是不一定要这么做。你可以使用调试器。而且即使你已经知道如何使用调试器检查变量,它可以做的还有很多。

这篇文章将试图挑战你对调试的认知,并详细地解释一些你可能还不了解的基本原理,然后展示一系列有趣的例子。现在就让我们开始与调试器共舞一曲华尔兹,看看最后能达到怎样的高度。

LLDB

LLDB 是一个有着 REPL 的特性和 C++ ,Python 插件的开源调试器。LLDB 绑定在 Xcode 内部,存在于主窗口底部的控制台中。调试器允许你在程序运行的特定时暂停它,你可以查看变量的值,执行自定的指令,并且按照你所认为合适的步骤来操作程序的进展。(这里有一个关于调试器如何工作的总体的解释。)

你以前有可能已经使用过调试器,即使只是在 Xcode 的界面上加一些断点。但是通过一些小的技巧,你就可以做一些非常酷的事情。GDB to LLDB 参考是一个非常好的调试器可用命令的总览。你也可以安装 Chisel,它是一个开源的 LLDB 插件合辑,这会使调试变得更加有趣。

与此同时,让我们以在调试器中打印变量来开始我们的旅程吧。

基础

这里有一个简单的小程序,它会打印一个字符串。注意断点已经被加在第 8 行。断点可以通过点击 Xcode 的源码窗口的侧边槽进行创建。

程序会在这一行停止运行,并且控制台会被打开,允许我们和调试器交互。那我们应该打些什么呢?

help

最简单命令是 help,它会列举出所有的命令。如果你忘记了一个命令是做什么的,或者想知道更多的话,你可以通过 help <command> 来了解更多细节,例如 help print 或者 help thread。如果你甚至忘记了 help 命令是做什么的,你可以试试 help help。不过你如果知道这么做,那就说明你大概还没有忘光这个命令。

print

打印值很简单;只要试试 print 命令:

LLDB 实际上会作前缀匹配。所以你也可以使用 prin,pri,或者 p。但你不能使用 pr,因为 LLDB 不能消除和 process 的歧义 (幸运的是 p 并没有歧义)。

你可能还注意到了,结果中有个 $0。实际上你可以使用它来指向这个结果。试试 print $0 + 7,你会看到 106。任何以美元符开头的东西都是存在于 LLDB 的命名空间的,它们是为了帮助你进行调试而存在的。

expression

如果想改变一个值怎么办?你或许会猜 modify。其实这时候我们要用到的是 expression 这个方便的命令。

这不仅会改变调试器中的值,实际上它改变了程序中的值。这时候继续执行程序,将会打印 42 red balloons。神奇吧。

注意,从现在开始,我们将会偷懒分别以 p 和 e 来代替 print 和 expression。

什么是 print 命令

考虑一个有意思的表达式:p count = 18。如果我们运行这条命令,然后打印 count 的内容。我们将看到它的结果与 expression count = 18 一样。

和 expression 不同的是,print 命令不需要参数。比如 e -h +17 中,你很难区分到底是以 -h 为标识,仅仅执行 +17 呢,还是要计算 17 和 h 的差值。连字符号确实很让人困惑,你或许得不到自己想要的结果。

幸运的是,解决方案很简单。用 — 来表征标识的结束,以及输入的开始。如果想要 -h 作为标识,就用 e -h — +17,如果想计算它们的差值,就使用 e — -h +17。因为一般来说不使用标识的情况比较多,所以 e — 就有了一个简写的方式,那就是 print。

输入 help print,然后向下滚动,你会发现:

打印对象

尝试输入

输出会有点啰嗦

如果我们尝试打印结构更复杂的对象,结果甚至会更糟

实际上,我们想看的是对象的 description 方法的结果。我么需要使用 -O (字母 O,而不是数字 0) 标志告诉 expression 命令以对象 (Object) 的方式来打印结果。

幸运的是,e -o — 有也有个别名,那就是 po (print object 的缩写),我们可以使用它来进行简化:

打印变量

可以给 print 指定不同的打印格式。它们都是以 print/<fmt> 或者简化的 p/<fmt> 格式书写。下面是一些例子:

默认的格式

十六进制:

二进制 (t 代表 two):

你也可以使用 p/c 打印字符,或者 p/s 打印以空终止的字符串 (译者注:以 ” 结尾的字符串)。
这里是格式的完整清单。

变量

现在你已经可以打印对象和简单类型,并且知道如何使用 expression 命令在调试器中修改它们了。现在让我们使用一些变量来减少输入量。就像你可以在 C 语言中用 int a = 0 来声明一个变量一样,你也可以在 LLDB 中做同样的事情。不过为了能使用声明的变量,变量必须以美元符开头。

悲剧了,LLDB 无法确定涉及的类型 (译者注:返回的类型)。这种事情常常发生,给个说明就好了:

变量使调试器变的容易使用得多,想不到吧?

流程控制

当你通过 Xcode 的源码编辑器的侧边槽 (或者通过下面的方法) 插入一个断点,程序到达断点时会就会停止运行。

调试条上会出现四个你可以用来控制程序的执行流程的按钮。

从左到右,四个按钮分别是:continue,step over,step into,step out。

第一个,continue 按钮,会取消程序的暂停,允许程序正常执行 (要么一直执行下去,要么到达下一个断点)。在 LLDB 中,你可以使用 process continue 命令来达到同样的效果,它的别名为 continue,或者也可以缩写为 c。

第二个,step over 按钮,会以黑盒的方式执行一行代码。如果所在这行代码是一个函数调用,那么就不会跳进这个函数,而是会执行这个函数,然后继续。LLDB 则可以使用 thread step-over,next,或者 n 命令。

如果你确实想跳进一个函数调用来调试或者检查程序的执行情况,那就用第三个按钮,step in,或者在LLDB中使用 thread step in,step,或者 s 命令。注意,当前行不是函数调用时,next 和 step 效果是一样的。

大多数人知道 c,n 和 s,但是其实还有第四个按钮,step out。如果你曾经不小心跳进一个函数,但实际上你想跳过它,常见的反应是重复的运行 n 直到函数返回。其实这种情况,step out 按钮是你的救世主。它会继续执行到下一个返回语句 (直到一个堆栈帧结束) 然后再次停止。

例子

考虑下面一段程序:

假如我们运行程序,让它停止在断点,然后执行下面一些列命令:

这里,frame info 会告诉你当前的行数和源码文件,以及其他一些信息;查看 help frame,help thread 和 help process 来获得更多信息。这一串命令的结果会是什么?看答案之前请先想一想。

它始终在 17 行的原因是 finish 命令一直运行到 isEven() 函数的 return,然后立刻停止。注意即使它还在 17 行,其实这行已经被执行过了。

Thread Return

调试时,还有一个很棒的函数可以用来控制程序流程:thread return 。它有一个可选参数,在执行时它会把可选参数加载进返回寄存器里,然后立刻执行返回命令,跳出当前栈帧。这意味这函数剩余的部分不会被执行。这会给 ARC 的引用计数造成一些问题,或者会使函数内的清理部分失效。但是在函数的开头执行这个命令,是个非常好的隔离这个函数,伪造返回值的方式 。

让我们稍微修改一下上面代码段并运行:

看答案前思考一下。下面是答案:

断点

我们都把断点作为一个停止程序运行,检查当前状态,追踪 bug 的方式。但是如果我们改变和断点交互的方式,很多事情都变成可能。

断点允许控制程序什么时候停止,然后允许命令的运行。

想象把断点放在函数的开头,然后用 thread return 命令重写函数的行为,然后继续。想象一下让这个过程自动化,听起来不错,不是吗?

管理断点

Xcode 提供了一系列工具来创建和管理断点。我们会一个个看过来并介绍 LLDB 中等价的命令 (是的,你可以在调试器内部添加断点)。

在 Xcode 的左侧面板,有一组按钮。其中一个看起来像断点。点击它打开断点导航,这是一个可以快速管理所有断点的面板。

在这里你可以看到所有的断点 – 在 LLDB 中通过 breakpoint list (或者 br li) 命令也做同样的事儿。你也可以点击单个断点来开启或关闭 – 在 LLDB 中使用 breakpoint enable <breakpointID> 和 breakpoint disable <breakpointID>:

创建断点

在上面的例子中,我们通过在源码页面器的滚槽 16 上点击来创建断点。你可以通过把断点拖拽出滚槽,然后释放鼠标来删除断点 (消失时会有一个非常可爱的噗的一下的动画)。你也可以在断点导航页选择断点,然后按下删除键删除。

要在调试器中创建断点,可以使用 breakpoint set 命令。

也可以使用缩写形式 br。虽然 b 是一个完全不同的命令 (_regexp-break 的缩写),但恰好也可以实现和上面同样的效果。

也可以在一个符号 (C 语言函数) 上创建断点,而完全不用指定哪一行

这些断点会准确的停止在函数的开始。Objective-C 的方法也完全可以:

如果想在 Xcode 的UI上创建符号断点,你可以点击断点栏左侧的 + 按钮。

然后选择第三个选项:

这时会出现一个弹出框,你可以在里面添加例如 -[NSArray objectAtIndex:] 这样的符号断点。这样每次调用这个函数的时候,程序都会停止,不管是你调用还是苹果调用。

如果你 Xcode 的 UI 上右击任意断点,然后选择 “Edit Breakpoint” 的话,会有一些非常诱人的选择。

这里,断点已经被修改为只有当 i 是 99 的时候才会停止。你也可以使用 “ignore” 选项来告诉断点最初的 n 次调用 (并且条件为真的时候) 的时候不要停止。

接下来介绍 ‘Add Action’ 按钮…

断点行为 (Action)

上面的例子中,你或许想知道每一次到达断点的时候 i 的值。我们可以使用 p i 作为断点行为。这样每次到达断点的时候,都会自动运行这个命令。

你也可以添加多个行为,可以是调试器命令,shell 命令,也可以是更直接的打印:

可以看到它打印 i,然后大声念出那个句子,接着打印了自定义的表达式。

下面是在 LLDB 而不是 Xcode 的 UI 中做这些的时候,看起来的样子。

接下来说说自动化。

赋值后继续运行

看编辑断点弹出窗口的底部,你还会看到一个选项: “Automatically continue after evaluation actions.” 。它仅仅是一个选择框,但是却很强大。选中它,调试器会运行你所有的命令,然后继续运行。看起来就像没有执行任何断点一样 (除非断点太多,运行需要一段时间,拖慢了你的程序)。

这个选项框的效果和让最后断点的最后一个行为是 continue 一样。选框只是让这个操作变得更简单。调试器的输出是:

执行断点后自动继续运行,允许你完全通过断点来修改程序!你可以在某一行停止,运行一个 expression 命令来改变变量,然后继续运行。

例子

想想所谓的”打印调试”技术吧,不要这么做:

而是用个打印变量的断点替换 log 语句,然后继续运行。

也不要:

而是加一个使用 thread return 9 命令的断点,然后让它继续运行。

符号断点加上 action 真的很强大。你也可以在你朋友的 Xcode 工程上添加一些断点,并且加上大声朗读某些东西的 action。看看他们要花多久才能弄明白发生了什么。

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