01. 調(diào)試相關(guān)的宏

在Linux使用gcc編譯程序的時候，對于調(diào)試的語句還具有一些特殊的語法。

gcc編譯的過程中，會生成一些宏，可以使用這些宏分別打印當(dāng)前源文件的信息，主要內(nèi)容是當(dāng)前的文件、當(dāng)前運行的函數(shù)和當(dāng)前的程序行。

具體宏如下:

__FILE__  當(dāng)前程序源文件 (char*)
__FUNCTION__  當(dāng)前運行的函數(shù) (char*)
__LINE__  當(dāng)前的函數(shù)行 (int)

這些宏不是程序代碼定義的，而是有編譯器產(chǎn)生的。這些信息都是在編譯器處理文件的時候動態(tài)產(chǎn)生的。

「測試示例：」

#include < stdio.h >

int main(void)
{
    printf("file: %s\\n", __FILE__);
    printf("function: %s\\n", __FUNCTION__);
    printf("line: %d\\n", __LINE__);

    return 0;
}

02. # 字符串化操作符

在gcc的編譯系統(tǒng)中，可以使用#將當(dāng)前的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成字符串。

「程序示例：」

#include < stdio.h >

#define DPRINT(expr) printf("< main >%s = %d\\n", #expr, expr);

int main(void)
{
    int x = 3;
    int y = 5;

    DPRINT(x / y);
    DPRINT(x + y);
    DPRINT(x * y);
    
    return 0;
}

「執(zhí)行結(jié)果：」

deng@itcast:~/tmp$ gcc test.c 
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out  
< main >x / y = 0
< main >x + y = 8
< main >x * y = 15

#expr表示根據(jù)宏中的參數(shù)(即表達式的內(nèi)容)，生成一個字符串。該過程同樣是有編譯器產(chǎn)生的，編譯器在編譯源文件的時候，如果遇到了類似的宏，會自動根據(jù)程序中表達式的內(nèi)容，生成一個字符串的宏。

這種方式的優(yōu)點是可以用統(tǒng)一的方法打印表達式的內(nèi)容，在程序的調(diào)試過程中可以方便直觀的看到轉(zhuǎn)換字符串之后的表達式。

具體的表達式的內(nèi)容是什么，有編譯器自動寫入程序中，這樣使用相同的宏打印所有表達式的字符串。

//打印字符
#define debugc(expr) printf("< char > %s = %c\\n", #expr, expr)
//打印浮點數(shù)
#define debugf(expr) printf("< float > %s = %f\\n", #expr, expr)
//按照16進制打印整數(shù)
#define debugx(expr) printf("< int > %s = 0X%x\\n", #expr, expr);

由于#expr本質(zhì)上市一個表示字符串的宏，因此在程序中也可以不適用%s打印它的內(nèi)容，而是可以將其直接與其它的字符串連接。

因此，上述宏可以等價以下形式:

//打印字符
#define debugc(expr) printf("< char > #expr = %c\\n", expr)
//打印浮點數(shù)
#define debugf(expr) printf("< float > #expr = %f\\n", expr)
//按照16進制打印整數(shù)
#define debugx(expr) printf("< int > #expr = 0X%x\\n", expr);

「總結(jié)：」

#是C語言預(yù)處理階段的字符串化操作符，可將宏中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成字符串。

03. ## 連接操作符

在gcc的編譯系統(tǒng)中，##是C語言中的連接操作符，可以在編譯的預(yù)處理階段實現(xiàn)字符串連接的操作。

「程序示例：」

#include < stdio.h >

#define test(x) test##x

void test1(int a)
{
    printf("test1 a = %d\\n", a);
}

void test2(char *s)
{
    printf("test2 s = %s\\n", s);
}

int main(void)
{
    test(1)(100);

    test(2)("hello world");
    
    return 0;
}

上述程序中，test(x)宏被定義為test##x, 他表示test字符串和x字符串的連接。

在程序的調(diào)試語句中，##常用的方式如下

#define DEBUG(fmt, args...) printf(fmt, ##args)

替換的方式是將參數(shù)的兩個部分以##連接。##表示連接變量代表前面的參數(shù)列表。使用這種形式可以將宏的參數(shù)傳遞給一個參數(shù)。args…是宏的參數(shù)，表示可變的參數(shù)列表，使用##args將其傳給printf函數(shù).

「總結(jié)：」

##是C語言預(yù)處理階段的連接操作符，可實現(xiàn)宏參數(shù)的連接。

04. 調(diào)試宏第一種形式

一種定義的方式:

#define DEBUG(fmt, args...)             \\
    {                                   \\
    printf("file:%s function: %s line: %d ", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);\\
    printf(fmt, ##args);                \\
    }

「程序示例：」

#include < stdio.h >

#define DEBUG(fmt, args...)             \\
    {                                   \\
    printf("file:%s function: %s line: %d ", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);\\
    printf(fmt, ##args);                \\
    }


int main(void)
{
    int a = 100;
    int b = 200;

    char *s = "hello world";
    DEBUG("a = %d b = %d\\n", a, b);
    DEBUG("a = %x b = %x\\n", a, b);
    DEBUG("s = %s\\n", s);
    
    return 0;
}

「總結(jié)：」

上面的DEBUG定義的方式是兩條語句的組合，不可能在產(chǎn)生返回值，因此不能使用它的返回值。

05. 調(diào)試宏的第二種定義方式

調(diào)試宏的第二種定義方式

#define DEBUG(fmt, args...)             \\
    printf("file:%s function: %s line: %d "fmt, \\
    __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ##args)

程序示例

#include < stdio.h >

#define DEBUG(fmt, args...)             \\
    printf("file:%s function: %s line: %d "fmt, \\
    __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ##args)


int main(void)
{
    int a = 100;
    int b = 200;

    char *s = "hello world";
    DEBUG("a = %d b = %d\\n", a, b);
    DEBUG("a = %x b = %x\\n", a, b);
    DEBUG("s = %s\\n", s);
    
    return 0;
}

「總結(jié)：」

fmt必須是一個字符串，不能使用指針，只有這樣才可以實現(xiàn)字符串的功能。

06. 對調(diào)試語句進行分級審查

即使定義了調(diào)試的宏，在工程足夠大的情況下，也會導(dǎo)致在打開宏開關(guān)的時候在終端出現(xiàn)大量的信息。而無法區(qū)分哪些是有用的。

這個時候就要加入分級檢查機制，可以定義不同的調(diào)試級別，這樣就可以對不同重要程序和不同的模塊進行區(qū)分，需要調(diào)試哪一個模塊就可以打開那一個模塊的調(diào)試級別。

一般可以利用配置文件的方式顯示，其實Linux內(nèi)核也是這么做的，它把調(diào)試的等級分成了7個不同重要程度的級別，只有設(shè)定某個級別可以顯示，對應(yīng)的調(diào)試信息才會打印到終端上。

可以寫出一下配置文件

[debug]
debug_level=XXX_MODULE

解析配置文件使用標(biāo)準(zhǔn)的字符串操作庫函數(shù)就可以獲取XXX_MODULE這個數(shù)值。

int show_debug(int level)
{
    if (level == XXX_MODULE)
    {
        #define DEBUG(fmt, args...)             \\
        printf("file:%s function: %s line: %d "fmt, \\
        __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ##args)       
    }
    else if (...)
    {
        ....
    }
}

07. 條件編譯調(diào)試語句

在實際的開發(fā)中，一般會維護兩種源程序，一種是帶有調(diào)試語句的調(diào)試版本程序，另外一種是不帶有調(diào)試語句的發(fā)布版本程序。

然后根據(jù)不同的條件編譯選項，編譯出不同的調(diào)試版本和發(fā)布版本的程序。

在實現(xiàn)過程中，可以使用一個調(diào)試宏來控制調(diào)試語句的開關(guān)。

#ifdef USE_DEBUG
        #define DEBUG(fmt, args...)             \\
        printf("file:%s function: %s line: %d "fmt, \\
        __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ##args)  
#else
  #define DEBUG(fmt, args...)

#endif

如果USE_DEBUG被定義，那么有調(diào)試信息，否則DEBUG就為空。

如果需要調(diào)試信息，就只需要在程序中更改一行就可以了。

#define USE_DEBUG
#undef USE_DEBUG

定義條件編譯的方式使用一個帶有值的宏

#if USE_DEBUG
        #define DEBUG(fmt, args...)             \\
        printf("file:%s function: %s line: %d "fmt, \\
        __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__, ##args)  
#else
  #define DEBUG(fmt, args...)

#endif

可以使用如下方式進行條件編譯

#ifndef USE_DEBUG
#define USE_DEBUG 0
#endif

08. 使用do…while的宏定義

使用宏定義可以將一些較為短小的功能封裝，方便使用。宏的形式和函數(shù)類似，但是可以節(jié)省函數(shù)跳轉(zhuǎn)的開銷。

如何將一個語句封裝成一個宏，在程序中常常使用do…while(0)的形式。

#define HELLO(str) do { \\
printf("hello: %s\\n", str); \\
}while(0)

「程序示例：」

int cond = 1;
if (cond)
    HELLO("true");
else
    HELLO("false");

09. 代碼剖析

對于比較大的程序，可以借助一些工具來首先把需要優(yōu)化的點清理出來。接下來我們來看看在程序執(zhí)行過程中獲取數(shù)據(jù)并進行分析的工具：代碼剖析程序。

「測試程序：」

#include < stdio.h >


#define T 100000

void call_one()
{
    int count = T * 1000;
    while(count--);
}

void call_two()
{
    int count = T * 50;
    while(count--);
}

void call_three()
{
    int count = T * 20;
    while(count--);
}


int main(void)
{
    int time = 10;

    while(time--)
    {
        call_one();
        call_two();
        call_three();
    }
    
    return 0;
}

編譯的時候加入-pg選項：

deng@itcast:~/tmp$ gcc -pg  test.c -o test

執(zhí)行完成后，在當(dāng)前文件中生成了一個gmon.out文件。

deng@itcast:~/tmp$ ./test  
deng@itcast:~/tmp$ ls
gmon.out  test  test.c
deng@itcast:~/tmp$

「使用gprof剖析主程序：」

deng@itcast:~/tmp$ gprof test
Flat profile:

Each sample counts as 0.01 seconds.
  %   cumulative   self              self     total           
 time   seconds   seconds    calls  ms/call  ms/call  name    
 95.64      1.61     1.61       10   160.68   160.68  call_one
  3.63      1.67     0.06       10     6.10     6.10  call_two
  2.42      1.71     0.04       10     4.07     4.07  call_three

其中主要的信息有兩個，一個是每個函數(shù)執(zhí)行的時間占程序總時間的百分比，另外一個就是函數(shù)被調(diào)用的次數(shù)。通過這些信息，可以優(yōu)化核心程序的實現(xiàn)方式來提高效率。

當(dāng)然這個剖析程序由于它自身特性有一些限制，比較適用于運行時間比較長的程序，因為統(tǒng)計的時間是基于間隔計數(shù)這種機制，所以還需要考慮函數(shù)執(zhí)行的相對時間，如果程序執(zhí)行時間過短，那得到的信息是沒有任何參考意義的。

「將上訴程序時間縮短：」

#include < stdio.h >


#define T 100

void call_one()
{
    int count = T * 1000;
    while(count--);
}

void call_two()
{
    int count = T * 50;
    while(count--);
}

void call_three()
{
    int count = T * 20;
    while(count--);
}


int main(void)
{
    int time = 10;

    while(time--)
    {
        call_one();
        call_two();
        call_three();
    }
    
    return 0;
}

「剖析結(jié)果如下：」

deng@itcast:~/tmp$ gcc -pg test.c -o test
deng@itcast:~/tmp$ ./test  
deng@itcast:~/tmp$ gprof test
Flat profile:

Each sample counts as 0.01 seconds.
 no time accumulated

  %   cumulative   self              self     total           
 time   seconds   seconds    calls  Ts/call  Ts/call  name    
  0.00      0.00     0.00       10     0.00     0.00  call_one
  0.00      0.00     0.00       10     0.00     0.00  call_three
  0.00      0.00     0.00       10     0.00     0.00  call_two

因此該剖析程序?qū)τ谠綇?fù)雜、執(zhí)行時間越長的函數(shù)也適用。

那么是不是每個函數(shù)執(zhí)行的絕對時間越長，剖析顯示的時間就真的越長呢？可以再看如下的例子

#include < stdio.h >


#define T 100

void call_one()
{
    int count = T * 1000;
    while(count--);
}

void call_two()
{
    int count = T * 100000;
    while(count--);
}

void call_three()
{
    int count = T * 20;
    while(count--);
}


int main(void)
{
    int time = 10;

    while(time--)
    {
        call_one();
        call_two();
        call_three();
    }
    
    return 0;
}

「剖析結(jié)果如下：」

deng@itcast:~/tmp$ gcc -pg test.c -o test
deng@itcast:~/tmp$ ./test  
deng@itcast:~/tmp$ gprof test
Flat profile:

Each sample counts as 0.01 seconds.
  %   cumulative   self              self     total           
 time   seconds   seconds    calls  ms/call  ms/call  name    
101.69      0.15     0.15       10    15.25    15.25  call_two
  0.00      0.15     0.00       10     0.00     0.00  call_one
  0.00      0.15     0.00       10     0.00     0.00  call_three

「總結(jié)：」

在使用gprof工具的時候，對于一個函數(shù)進行g(shù)prof方式的剖析，實質(zhì)上的時間是指除去庫函數(shù)調(diào)用和系統(tǒng)調(diào)用之外，純碎應(yīng)用部分開發(fā)的實際代碼運行的時間，也就是說time一項描述的時間值不包括庫函數(shù)printf、系統(tǒng)調(diào)用system等運行的時間。

這些實用庫函數(shù)的程序雖然運行的時候?qū)⒈茸畛醯某绦驅(qū)嵱酶嗟臅r間，但是對于剖析函數(shù)來說并沒有影響。