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Pwn 基础之C/C++（八）：编译、链接与 GDB 调试

本篇目标：理解 C 程序如何变成二进制，并能使用 GDB 和 Sanitizer 验证内存模型。

预计阅读时间：20～25 分钟。

1. 预处理器 

#include <stdio.h>
#define MAX_COUNT 100

预处理器在正式编译前处理：

  • #include；
  • #define；
  • 条件编译。
#ifdef DEBUG
printf("debug information\n");
#endif

编译时定义：

gcc -DDEBUG program.c -o program

2. 宏与内联函数

带参数宏：

#define SQUARE(x) ((x) * (x))

必须谨慎加括号。简单函数逻辑通常更适合：

static inline int square(int x)
{
    return x * x;
}

函数具有类型检查，也避免宏参数重复求值等问题。

3. 头文件保护 

#ifndef MATH_UTILS_H
#define MATH_UTILS_H

int add(int a, int b);

#endif

它防止头文件内容在同一翻译单元中被重复包含。

4. 多文件项目

math_utils.h：

#ifndef MATH_UTILS_H
#define MATH_UTILS_H

int add(int a, int b);

#endif

math_utils.c：

#include "math_utils.h"

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

main.c：

#include <stdio.h>
#include "math_utils.h"

int main(void)
{
    printf("%d\n", add(10, 20));
    return 0;
}

编译：

gcc main.c math_utils.c -o program

5. 声明与定义

声明说明名字及其类型存在：

extern int global_value;
int add(int a, int b);

定义真正创建对象或提供函数体：

int global_value = 100;

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

6. 四阶段构建过程 

预处理 → 编译 → 汇编 → 链接

预处理：

gcc -E program.c -o program.i

生成汇编：

gcc -S program.c -o program.s

生成目标文件：

gcc -c program.c -o program.o

链接：

gcc program.o -o program

目标文件已经包含机器代码和符号信息，但通常还需要链接才能形成最终可执行程序。

7. 调试编译选项 

gcc -std=c17 -Wall -Wextra -Wpedantic -g -O0 program.c -o program
  • -Wall -Wextra -Wpedantic：开启警告；
  • -g：加入调试信息；
  • -O0：关闭大部分优化，便于观察源码关系。

优化编译：

gcc -O2 program.c -o program

优化后变量可能进入寄存器、函数可能被内联、无用代码可能消失。源码和汇编不再保证逐行对应。

8. 未定义行为

未定义行为表示 C/C++ 标准不再保证程序结果。常见来源：

  • 使用未初始化值；
  • 解引用无效指针；
  • 访问数组范围之外；
  • 使用生命周期已经结束的对象；
  • 错误管理动态内存；
  • 有符号整数溢出；
  • 格式说明符与参数类型不匹配。

未定义行为不等于“一定崩溃”。它可能暂时看似正常，也可能在优化、平台或输入变化后表现不同。

9. GDB 基础

示例：

#include <stdio.h>

int add(int a, int b)
{
    int result = a + b;
    return result;
}

int main(void)
{
    int x = 10;
    int y = 20;
    int result = add(x, y);
    printf("%d\n", result);
    return 0;
}

编译：

gcc -g -O0 example.c -o example

启动：

gdb ./example

10. 断点与单步 

break main
break add
run
next
step
continue
  • next：执行下一行，不进入普通函数调用；
  • step：执行下一行并进入函数；
  • continue：继续到下一个断点或程序结束。

11. 查看变量、类型和地址 

print x
print &x
ptype x
info locals

查看调用栈：

backtrace

12. 查看内存 

x/4xb &x

解释：

x   examine
4   查看 4 个单位
x   十六进制
b   每单位 1 字节

单位：

字母 大小
b 1 字节
h 2 字节
w 4 字节
g 8 字节

查看字符串：

x/s pointer

13. 寄存器和反汇编 

info registers
disassemble main

Intel 语法：

set disassembly-flavor intel

源码与汇编布局：

layout split

学习时用 GDB 验证，而不是只背结论。

14. Sanitizer 

gcc \
  -g \
  -O1 \
  -fsanitize=address,undefined \
  -fno-omit-frame-pointer \
  program.c \
  -o program

AddressSanitizer 和 UndefinedBehaviorSanitizer 可以辅助发现部分错误，但不能代替语言规则和人工推理。

15. 推荐编译命令

C：

gcc -std=c17 -Wall -Wextra -Wpedantic -Wconversion -Wshadow -g -O0 program.c -o program

C++：

g++ -std=c++17 -Wall -Wextra -Wpedantic -Wconversion -Wshadow -g -O0 program.cpp -o program

本篇练习

  1. 分别生成 .i、.s、.o 和可执行文件。
  2. 建立一个包含头文件和两个源文件的小项目。
  3. 在 GDB 中查看整数的逐字节表示。
  4. 对比 -O0 和 -O2 的反汇编结果。
  5. 使用 Sanitizer 检查自己的数组和动态内存练习。

本篇小结

  • C 源码经过预处理、编译、汇编和链接；
  • 头文件主要放声明，源文件提供定义；
  • 优化会显著改变生成代码；
  • 未定义行为不能用“本机正常”证明正确；
  • GDB 能验证变量、地址、内存、寄存器和汇编之间的关系。

下一篇

下一篇从 C 进入 C++，学习引用、类、对象、构造析构和 RAII。

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