使用集成调试器：单步执行

本节阅读量:

当您运行程序时，执行从主函数的顶部开始，然后逐条语句按顺序进行，直到程序结束。在程序运行的任何时间点，程序都会跟踪许多事情：正在使用的变量的值，调用了哪些函数（这样当那些函数返回时，程序就会知道返回到哪里），以及程序中的当前执行点（这样它就知道下一步要执行哪个语句）。所有这些被跟踪的信息都称为程序状态（简称为状态）。

在前面的课程中，我们探索了各种更改代码以帮助调试的方法，包括打印诊断信息或使用日志记录器。这些是在程序运行时检查程序状态的简单方法。如果使用得当，它们可能是有效的，但它们仍然有缺点：它们需要修改代码，这需要时间，并可能引入新的错误，并且它们会使代码混乱，使现有代码更难理解。

到目前为止，我们展示的技术背后是一个未声明的假设：一旦我们运行代码，它将一直运行到完成（仅暂停以接受输入），我们没有机会在我们想要的任何点干预和检查程序的结果。

然而，如果我们能够放弃这个假设呢？幸运的是，大多数现代IDE都附带了一个名为调试器的集成工具，该工具正是为实现这一点而设计的。

调试器（debugger）

调试器是一种计算机程序，它允许程序员控制另一个程序的执行方式，并在该程序运行时检查程序状态。例如，程序员可以使用调试器逐行执行程序，一路检查变量的值。通过将变量的实际值与预期值进行比较，或者通过代码观察执行路径，调试器可以极大地帮助跟踪语义（逻辑）错误。

调试器背后的功能是双重的：精确控制程序执行的能力，以及查看（和修改，如果需要）程序状态的能力。

早期的调试器，如gdb，是具有命令行界面的单独程序，程序员必须键入晦涩的命令才能使它们工作。后来的调试器（如Borland的turbo调试器的早期版本）仍然是独立的，但附带了自己的“图形”前端，以使使用它们更容易。现在可用的许多现代IDE都有一个集成的调试器——也就是说，调试器使用与代码编辑器相同的界面，因此您可以使用与编写代码相同的环境进行调试（而不必切换程序）。

虽然集成调试器非常方便，建议初学者使用，但命令行调试器在不同的系统上有更好的支持，并且仍然通常用于不支持图形界面的环境（例如嵌入式系统）。

几乎所有的现代调试器都包含相同的标准基本功能集——然而，在访问这些功能的菜单的排列方式方面几乎没有一致性，键盘快捷键的一致性甚至更少。尽管我们的示例将使用Microsoft Visual Studio的屏幕截图，但无论您使用哪种IDE，您都应该很容易理解如何访问我们讨论的每个功能。

本章的其余部分将用于学习如何使用调试器。

提示

不要忽视学习使用调试器。随着程序变得越来越复杂，与查找和修复问题所节省的时间相比，您花费在学习有效使用集成调试器上的时间将变得微不足道。

警告

在继续本课程（以及与使用调试器相关的后续课程）之前，请确保使用调试构建模式配置编译项目。

如果改为使用发布模式配置编译项目，则调试器的功能可能无法正常工作。

单步执行（Stepping）

我们将首先学习一些调试工具，这些工具允许我们控制程序的执行方式，从而开始探索调试器。

Stepping是一组相关调试器功能的名称，这些功能允许我们逐语句执行（单步执行）代码。

我们将依次介绍许多相关的单步执行命令。

逐语句（Step into）

Step into 命令在程序的正常执行路径中执行下一条语句，然后暂停程序的执行，以便我们可以使用调试器检查程序的状态。如果正在执行的语句包含函数调用，则单步执行将导致程序跳到被调用函数的顶部，在那里它将暂停。

让我们来看一个非常简单的程序：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13


#include <iostream>

void printValue(int value)
{
    std::cout << value << '\n';
}

int main()
{
    printValue(5);

    return 0;
}

首先，执行一次step into调试命令。

对于Visual Studio用户

在Visual Studio中，可以通过菜单 “调试”>“逐语句”或按F11快捷键来执行step into命令。

当程序未开始运行并且执行第一个调试命令时，您可能会看到许多事情发生：

如果需要，程序将重新编译。
程序将开始运行。因为我们的应用程序是控制台程序，所以应该打开控制台输出窗口。里面将为空，因为我们尚未输出任何内容。
IDE可能会打开一些诊断窗口，这些窗口可能具有“诊断工具”、“调用堆栈”和“监视”等名称。稍后我们将讨论其中的一些内容——现在您可以忽略它们。

因为我们已经执行了step into，所以您现在应该看到函数main的左大括号（第9行）的左侧出现了某种标记。在Visual Studio中，此标记是一个黄色箭头。如果您使用的是不同的IDE，则应该看到具有相同用途的东西。

该箭头标记指示所指向的行将随后执行。在这种情况下，调试器告诉我们，要执行的下一行是函数main的左大括号（第9行）。

选择step-into（使用上面列出的IDE的适当命令）来执行左大括号，箭头将移动到下一条语句（第10行）。

这意味着将要执行的下一行是对函数printValue的调用。

再次选择step-into。由于该语句包含对printValue的函数调用，因此我们单步执行该函数，箭头将移动到printValue的顶部（第4行）。

再次选择step-into以执行函数printValue的左大括号，这将把箭头推进到第5行。

再次选择step-into，它将执行语句 std::cout « value « ‘\n’; ，并将箭头移动到第6行。

警告

由于运算符«是作为函数实现的，因此IDE可能会转而单步执行运算符«的实现。

如果发生这种情况，您将看到IDE打开一个新的代码文件，箭头标记将移动到名为operator«的函数的顶部（这是标准库的一部分）。关闭刚刚打开的代码文件，然后查找并执行step-out调试命令（如果需要帮助，请参阅下面的“step-out”部分）。

现在，由于执行了 std::cout « value « ‘\n’; ，我们应该会看到值5出现在控制台窗口中。

提示

在之前的学习中，我们提到std::cout是带缓冲的，这意味着在要求std::cout打印值和它实际打印值之间可能存在延迟。因此，此时可能看不到值5。为了确保立即输出std::cout的所有输出，可以将以下语句临时添加到main（）函数的顶部：

1

std::cout << std::unitbuf; // 打开 std::cout 的自动清空缓冲功能

出于性能原因，应该在调试后删除或注释掉该语句。

如果不想连续添加/删除/注释/取消注释上面的内容，可以将语句包装在条件编译预处理器指令中：

1
2
3


#ifdef DEBUG
std::cout << std::unitbuf; // 打开 std::cout 的自动清空缓冲功能
#endif

您需要确保定义了DEBUG预处理器宏，要么在该语句的上方，要么作为编译器设置的一部分。

再次选择step-into以执行函数printValue的右大括号。此时，printValue已完成执行，控制权返回给main。

您将注意到箭头再次指向printValue！

虽然您可能认为调试器打算再次调用printValue，但实际上调试器只是让您知道它刚从函数调用返回。

再选择三次step-into。此时，我们已经执行了程序中的所有行，因此程序执行完成。一些调试器将在此时自动终止调试会话，其他调试器可能不会。如果调试器没有，则可能需要在菜单中找到“停止调试”命令（在Visual Studio中，这位于调试>停止调试下）。

请注意，可以在调试过程中的任何时候使用“停止调试”来结束调试会话。

祝贺您，您现在已经逐行执行完了一个程序，并观看了每一行的执行！

逐过程（Step over）

与step-into类似，step-over命令在程序的正常执行路径中执行下一条语句。然而，step-into将进入函数调用并逐行执行它们，但step-over将在不停止的情况下执行完整个函数，并在函数执行后将控制权返回给您。

让我们来看一个示例，其中我们单步执行对printValue的函数调用：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13


#include <iostream>

void printValue(int value)
{
    std::cout << value << '\n';
}

int main()
{
    printValue(5);

    return 0;
}

首先，使用step into，直到执行标记位于第10行：

现在，选择step over。调试器将执行该函数（它在控制台输出窗口中打印值5），然后在下一条语句（第12行）上将控制权返回给您。

当您确定函数已经正常工作或对立即调试它们不感兴趣时，step-over命令提供了一种方便的方法来跳过这些函数。

对于Visual Studio用户

在Visual Studio中，可以通过菜单“调试”>“逐过程”或按F10快捷键来执行step-over命令。

跳出（Step out）

与其他两个单步执行命令不同，Step-out不只是执行下一行代码。相反，它执行当前正在执行的函数中的所有剩余代码，然后在函数返回时将控制权返回给您。

让我们使用与上面相同的程序来看一个例子：

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13


#include <iostream>

void printValue(int value)
{
    std::cout << value << '\n';
}

int main()
{
    printValue(5);

    return 0;
}

首先，使用step into执行程序，直到进入函数printValue，执行标记在第4行。

然后选择step out。您将注意到值5出现在输出窗口中，并且调试器在函数终止后将控制返回给您（在第10行）。

当您意外地进入了不想调试的函数时，该命令最有用。

对于Visual Studio用户

在Visual Studio中，可以通过菜单“调试”>“跳出”或按Shift-F11快捷组合键来访问“Step out”命令。

执行太多代码

单步执行程序时，通常只能向前迈进。很容易不小心跨过（超越）你想检查的地方。

如果超过了预期的目标，通常要做的事情是停止调试，然后重新启动调试，这次要稍微小心一点，不要超过目标。

后退一步

一些调试器（如VisualStudio Enterprise Edition）引入了一种单步执行功能，通常称为后退或反向调试。后退的目标是倒退最后一步，以便您可以将程序返回到先前的状态。如果您执行了过多的步骤，或者如果您想重新检查刚刚执行的语句，这可能很有用。

实现后退功能提高了调试器的复杂性（因为它必须跟踪每个步骤的单独程序状态）。由于复杂性，此功能尚未标准化，并且因调试器而异。希望在未来的某个时候，它可用于更广泛的用途。

3.4 更多调试策略

3.6 断点