3. 观察点

接着上一节的步骤,经过调试我们知道,虽然sum已经赋了初值0,仍需要在while (1)循环开头加上sum = 0;

例 10.3. 观察点调试实例

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int sum = 0, i = 0;
	char input[5];

	while (1) {
		sum = 0;
		scanf("%s", input);
		for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
			sum = sum*10 + input[i] - '0';
		printf("input=%d\n", sum);
	}
	return 0;
}

使用scanf函数是非常凶险的,即使修正了这个Bug还存在很多问题。如果输入的字符串超长了会怎么样?我们知道数组访问越界是不会检查的,所以scanf会写出界。现象是这样的:

$ ./main
123
input=123
67
input=67
12345
input=123407

下面用调试器看看最后这个诡异的结果是怎么出来的。

$ gdb main
......
(gdb) start
Breakpoint 1 at 0x80483b5: file main.c, line 5.
Starting program: /home/akaedu/main 
main () at main.c:5
5		int sum = 0, i = 0;
(gdb) n
9			sum = 0;
(gdb) (直接回车)
10			scanf("%s", input);
(gdb) (直接回车)
12345
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
(gdb) p input
$1 = "12345"

input数组只有5个元素,写出界的是scanf自动添的'\0',用x命令看会更清楚一些:

(gdb) x/7b input
0xbfb8f0a7:	0x31	0x32	0x33	0x34	0x35	0x00	0x00

x命令打印存储器中的内容。7b是打印格式,b表示每个字节一组,7表示打印7组[19]。前五个字节是input数组的存储单元,打印的正是十六进制ASCII码的'1'到'5',最后一个是写出界的'\0'。根据运行结果,前四个字符转成数字都没错,第5个错了,也就是i从0到3的循环都没错,我们设一个条件断点从i等于4开始单步调试:

(gdb) l
6		char input[5];
7	
8		while (1) {
9			sum = 0;
10			scanf("%s", input);
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
12				sum = sum*10 + input[i] - '0';
13			printf("input=%d\n", sum);
14		}
15		return 0;
(gdb) b 12 if i == 4
Breakpoint 2 at 0x80483e6: file main.c, line 12.
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 2, main () at main.c:12
12				sum = sum*10 + input[i] - '0';
(gdb) p sum
$2 = 1234

现在sum是1234没错,根据运行结果是123407我们知道即将进行的这步计算肯定要出错,算出来应该是12340,那就是说input[4]肯定不是'5'了,事实证明这个推理是不严谨的:

(gdb) x/7b input
0xbfb8f0a7:	0x31	0x32	0x33	0x34	0x35	0x04	0x00

input[4]仍然是0x35,产生123407还有另外一种可能,就是在下一次循环中123450不是加上而是减去一个数得到123407。可现在不是到字符串末尾了吗?怎么会有下一次循环呢?注意到循环控制条件是input[i] != '\0',而本来应该是0x00的位置现在莫名其妙地变成了0x04,因此循环不会结束。继续单步:

(gdb) n
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
(gdb) p sum
$3 = 12345
(gdb) n
12				sum = sum*10 + input[i] - '0';
(gdb) x/7b input
0xbfb8f0a7:	0x31	0x32	0x33	0x34	0x35	0x05	0x00

进入下一次循环,原来的0x04又莫名其妙地变成了0x05,这是怎么回事?这个暂时解释不了,但123407这个结果可以解释了,是12345*10 + 0x05 - 0x30得到的,虽然多循环了一次,但下次一定会退出循环了,因为0x05的后面是'\0'。

input[4]后面那个字节到底是什么时候变的?可以用观察点(Watchpoint)来跟踪。我们知道断点是当程序执行到某一代码行时中断,而观察点是当程序访问某一存储单元时中断,如果我们不知道某一存储单元是在哪里被改动的,这时候观察点尤其有用。下面删除原来设的断点,从头执行程序,重复上次的输入,用watch命令设置观察点,跟踪input[4]后面那个字节(可以用input[5]表示,虽然这是访问越界):

(gdb) delete breakpoints 
Delete all breakpoints? (y or n) y
(gdb) start
Breakpoint 1 at 0x80483b5: file main.c, line 5.
Starting program: /home/akaedu/main 
main () at main.c:5
5		int sum = 0, i = 0;
(gdb) n
9			sum = 0;
(gdb) (直接回车)
10			scanf("%s", input);
(gdb) (直接回车)
12345
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
(gdb) watch input[5]
Hardware watchpoint 2: input[5]
(gdb) i watchpoints 
Num     Type           Disp Enb Address    What
2       hw watchpoint  keep y              input[5]
(gdb) c
Continuing.
Hardware watchpoint 2: input[5]

Old value = 0 '\0'
New value = 1 '\001'
0x0804840c in main () at main.c:11
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
(gdb) c
Continuing.
Hardware watchpoint 2: input[5]

Old value = 1 '\001'
New value = 2 '\002'
0x0804840c in main () at main.c:11
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)
(gdb) c
Continuing.
Hardware watchpoint 2: input[5]

Old value = 2 '\002'
New value = 3 '\003'
0x0804840c in main () at main.c:11
11			for (i = 0; input[i] != '\0'; i++)

已经很明显了,每次都是for这句改变了input[5]的值,而且是每次加1,而for这句里的i正是每次加1的,原来input[5]就是i的存储单元,换句话说,i的存储单元是紧跟在input数组后面的。

修正这个Bug对初学者来说有一定难度。如果你发现了这个Bug却没想到数组访问越界这一点,也许一时想不出原因,就会先去处理另外一个更容易修正的Bug:如果输入的不是数字而是字母或别的符号也能算出结果来,这显然是不对的,可以在循环中加上判断条件:

while (1) {
	sum = 0;
	scanf("%s", input);
	for (i = 0; input[i] != '\0'; i++) {
		if (input[i] < '0' || input[i] > '9') {
			printf("Invalid input!\n");
			sum = -1;
			break;
		}
		sum = sum*10 + input[i] - '0';
	}
	printf("input=%d\n", sum);
}

然后你会惊喜地发现,不仅输入字母会报错退出,输入超长也会报错退出:

$ ./main
123a
Invalid input!
input=-1
dead
Invalid input!
input=-1
1234578
Invalid input!
input=-1
1234567890abcdef
Invalid input!
input=-1
23
input=23

似乎是两个Bug一起解决掉了,想想为什么输入超长也会报错退出。总结一下本节用到的gdb命令:

表 10.3. gdb基本命令3

命令描述
watch设置观察点
info(或i) watchpoints查看当前设置了哪些观察点
x从某个位置开始打印存储器的一段内容,全部当成字节来看,而不区分哪些字节属于哪些变量



[19] 打印结果最左边的一长串数字是存储单元的地址,以后再讲,目前可以无视。