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  • [转]与调试器共舞 – LLDB 的华尔兹

    原文链接：

    http://ios.jobbole.com/81794/

    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？

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    NSLog(@"%@", whatIsInsideThisThing);

    或者跳过一个函数调用来简化程序的行为？

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    NSNumber *n = @7; // 实际应该调用这个函数：Foo();

    或者短路一个逻辑检查？

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    if (1 || theBooleanAtStake) { ... }

    或者伪造一个函数实现？

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    int calculateTheTrickyValue {
      return 9;
     
      /*
       先这么着
       ...
    }

    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：

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    'print' is an abbreviation for 'expression --'.  
    (print是 `expression --` 的缩写)

    打印对象

    尝试输入

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    p objects

    输出会有点啰嗦

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    (NSString *) $7 = 0x0000000104da4040 @"red balloons"

    如果我们尝试打印结构更复杂的对象，结果甚至会更糟

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    (lldb) p @[ @"foo", @"bar" ]
     
    (NSArray *) $8 = 0x00007fdb9b71b3e0 @"2 objects"

    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。

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    (lldb) e -O -- $8
    <__NSArrayI 0x7fdb9b71b3e0>(
    foo,
    bar
    )

    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：

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    (lldb) po $8
    <__NSArrayI 0x7fdb9b71b3e0>(
    foo,
    bar
    )
    (lldb) po @"lunar"
    lunar
    (lldb) p @"lunar"
    (NSString *) $13 = 0x00007fdb9d0003b0 @"lunar"

    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

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    (lldb) p 16
    16

    十六进制:

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    (lldb) p/x 16
    0x10

    二进制 (t 代表 two)：

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    (lldb) p/t 16
    0b00000000000000000000000000010000
    (lldb) p/t (char)16
    0b00010000

    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。

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    (lldb) e int $a = 2
    (lldb) p $a * 19
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    (lldb) e NSArray *$array = @[ @"Saturday", @"Sunday", @"Monday" ]
    (lldb) p [$array count]
    2
    (lldb) po [[$array objectAtIndex:0] uppercaseString]
    SATURDAY
    (lldb) p [[$array objectAtIndex:$a] characterAtIndex:0]
    error: no known method '-characterAtIndex:'; cast the message send to the method's return type
    error: 1 errors parsing expression

    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：

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    (lldb) p (char)[[$array objectAtIndex:$a] characterAtIndex:0]
    'M'
    (lldb) p/d (char)[[$array objectAtIndex:$a] characterAtIndex:0]
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    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：

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    p i
    n
    s
    p i
    finish
    p i
    frame info

    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。

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    (lldb) p i
    (int) $0 = 99
    (lldb) n
    2014-11-22 10:49:26.445 DebuggerDance[60182:4832768] 101 is odd!
    (lldb) s
    (lldb) p i
    (int) $2 = 110
    (lldb) finish
    2014-11-22 10:49:35.978 DebuggerDance[60182:4832768] 110 is even!
    (lldb) p i
    (int) $4 = 99
    (lldb) frame info
    frame #0: 0x000000010a53bcd4 DebuggerDance`main + 68 at main.m:17

    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：

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    p i
    s
    thread return NO
    n
    p even0
    frame info

    看答案前思考一下。下面是答案：

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    (lldb) p i
    (int) $0 = 99
    (lldb) s
    (lldb) thread return NO
    (lldb) n
    (lldb) p even0
    (BOOL) $2 = NO
    (lldb) frame info
    frame #0: 0x00000001009a5cc4 DebuggerDance`main + 52 at main.m:17

    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>：

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    (lldb) br li
    Current breakpoints:
    1: file = '/Users/arig/Desktop/DebuggerDance/DebuggerDance/main.m', line = 16, locations = 1, resolved = 1, hit count = 1
     
      1.1: where = DebuggerDance`main + 27 at main.m:16, address = 0x000000010a3f6cab, resolved, hit count = 1
     
    (lldb) br dis 1
    1 breakpoints disabled.
    (lldb) br li
    Current breakpoints:
    1: file = '/Users/arig/Desktop/DebuggerDance/DebuggerDance/main.m', line = 16, locations = 1 Options: disabled
     
      1.1: where = DebuggerDance`main + 27 at main.m:16, address = 0x000000010a3f6cab, unresolved, hit count = 1
     
    (lldb) br del 1
    1 breakpoints deleted; 0 breakpoint locations disabled.
    (lldb) br li
    No breakpoints currently set.

    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。

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    (lldb) breakpoint set -f main.m -l 16
    Breakpoint 1: where = DebuggerDance`main + 27 at main.m:16, address = 0x000000010a3f6cab

    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。

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    (lldb) b main.m:17
    Breakpoint 2: where = DebuggerDance`main + 52 at main.m:17, address = 0x000000010a3f6cc4

    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

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    (lldb) b isEven
    Breakpoint 3: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x000000010a3f6d00
    (lldb) br s -F isEven
    Breakpoint 4: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x000000010a3f6d00

    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：

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    (lldb) breakpoint set -F "-[NSArray objectAtIndex:]"
    Breakpoint 5: where = CoreFoundation`-[NSArray objectAtIndex:], address = 0x000000010ac7a950
    (lldb) b -[NSArray objectAtIndex:]
    Breakpoint 6: where = CoreFoundation`-[NSArray objectAtIndex:], address = 0x000000010ac7a950
    (lldb) breakpoint set -F "+[NSSet setWithObject:]"
    Breakpoint 7: where = CoreFoundation`+[NSSet setWithObject:], address = 0x000000010abd3820
    (lldb) b +[NSSet setWithObject:]
    Breakpoint 8: where = CoreFoundation`+[NSSet setWithObject:], address = 0x000000010abd3820

    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。

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    (lldb) breakpoint set -F isEven
    Breakpoint 1: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x00000001083b5d00
    (lldb) breakpoint modify -c 'i == 99' 1
    (lldb) breakpoint command add 1
    Enter your debugger command(s).  Type 'DONE' to end.
    > p i
    > DONE
    (lldb) br li 1
    1: name = 'isEven', locations = 1, resolved = 1, hit count = 0
        Breakpoint commands:
          p i
     
    Condition: i == 99
     
      1.1: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x00000001083b5d00, resolved, hit count = 0

    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：

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    (lldb) breakpoint set -F isEven
    Breakpoint 1: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x00000001083b5d00
    (lldb) breakpoint command add 1
    Enter your debugger command(s).  Type 'DONE' to end.
    > continue
    > DONE
    (lldb) br li 1
    1: name = 'isEven', locations = 1, resolved = 1, hit count = 0
        Breakpoint commands:
          continue
     
      1.1: where = DebuggerDance`isEven + 16 at main.m:4, address = 0x00000001083b5d00, resolved, hit count = 0

    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：

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    NSLog(@"%@", whatIsInsideThisThing);

    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：

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    int calculateTheTrickyValue {
      return 9;
     
      /*
       Figure this out later.
       ...
    }

    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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