调试与测试

这一课你将能做到

1. 用 -g -O0 编出可调试二进制，在 GDB 里下断点、单步、打印变量、看调用栈定位崩溃
2. 对一个段错误程序完成「复现 → bt 定位 → print 取证 → 修复」的完整排障闭环
3. 用 doctest 写单元测试并接入 CMake，用 AddressSanitizer 抓内存越界与泄漏

为什么要学

Java 的调试生态是「IDE 点点按钮 + JUnit + 框架兜底」；C++ 的崩溃直接来自操作系统（段错误信号），兜底的人是你自己。好消息是工具链同样成熟：GDB 调试器、doctest/GoogleTest 单测框架、AddressSanitizer 内存检查器，能力都不输 Java 生态，只是更「命令行、更贴近机器」。

判题沙箱是这三样工具的重度用户：评测用户代码前先过单测回归；线上偶发崩溃靠 GDB 的 core dump 事后取证；ASan 在开发期就把越界读写在测试中拦截。掌握本课，你面对「偶尔崩溃、压测才炸」的 C++ 程序就不再是瞎猜。

先建立图像

排障闭环（和 Java 调试同构，工具不同）：

复现问题 → 断点/单步（GDB ≈ IDE 调试器）
         → 观察状态（print/bt ≈ Variables 面板 + 调用栈）
         → 提出假设 → 加验证（日志/断点条件）
         → 修复 → 单元测试锁定（doctest ≈ JUnit）
         → 静态/动态检查兜底（ASan ≈ JVM 的异常与堆转储）

编译两把刷子：
-g -O0   → 带调试信息、不优化，变量都在栈上原样可见（Debug 构建）
-O2 -DNDEBUG → 发布优化，assert 全部失效（Release 构建）
用 Debug 排查、Release 跑分，混用会「调试时好的、发布就崩」

跟着做

步骤 1：准备一个有 bug 的程序

新建 buggy.cpp——一个典型的越界崩溃：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

struct Submission {
    int id;
    int cost;
};

// 找出耗时最长的提交：注意 idx 的边界处理埋了雷
int slowestIdx(const std::vector<Submission>& subs) {
    int idx = 0;
    for (int i = 0; i <= subs.size(); ++i) {      // ← <= 越界！size 是无符号，i 到 size 时非法
        if (subs[i].cost > subs[idx].cost)        // ← 读取越界内存，UB
            idx = i;
    }
    return idx;
}

int main() {
    std::vector<Submission> subs{{101, 120}, {102, 45}, {103, 200}};
    int k = slowestIdx(subs);
    std::cout << "最慢提交 id=" << subs[k].id << "\n";
    return 0;
}

它可能「碰巧」输出正确（越界读到的垃圾数据恰好不大），也可能随机崩溃——这种薛定谔 bug 正是本课要教会你稳定拿下的类型。

步骤 2：GDB 四板斧定位崩溃

g++ -std=c++17 -g -O0 buggy.cpp -o buggy     # -g 调试信息 -O0 关优化
gdb ./buggy

进入 GDB 后：

(gdb) break slowestIdx        ← 在函数处下断点（也可 break buggy.cpp:12 按行）
(gdb) run                     ← 运行，停在断点
(gdb) next                    ← 单步（不进函数）；step 进函数；continue 继续到下个断点
(gdb) print subs              ← 打印整个 vector
$1 = std::vector of length 3, capacity 3 = {{id = 101, cost = 120}, ...}
(gdb) print subs.size()
$2 = 3
(gdb) continue

如果直接对崩溃现场取证（更有实战价值）：去掉断点直接 run，程序段错误时 GDB 会接住：

(gdb) run
Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x00005555 in Submission::cost access ... buggy.cpp:13
(gdb) bt                      ← backtrace：调用栈，从上往下读就是崩溃链路
#0 slowestIdx (subs=...) at buggy.cpp:13
#1 main () at buggy.cpp:23
(gdb) frame 0                 ← 切到 #0 帧
(gdb) print i
$3 = 3                        ← i 越界到了 3，而 size 只有 3 —— 实锤
(gdb) quit