嵌入式C语言程序调试和宏使用的技巧
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· 2022-08-26
来源：嵌入式大杂烩
1. 调试相关的宏
在Linux使用gcc编译程序的时候，对于调试的语句还具有一些特殊的语法。gcc编译的过程中，会生成一些宏，可以使用这些宏分别打印当前源文件的信息，主要内容是当前的文件、当前运行的函数和当前的程序行。
具体宏如下:
__FILE__ 当前程序源文件 (char*)
__FUNCTION__ 当前运行的函数 (char*)
__LINE__ 当前的函数行 (int)
这些宏不是程序代码定义的，而是有编译器产生的。这些信息都是在编译器处理文件的时候动态产生的。
测试示例：
#include <stdio.h>
int main(void)
{
printf("file: %s\n", __FILE__);
printf("function: %s\n", __FUNCTION__);
printf("line: %d\n", __LINE__);
return 0;
}
2. # 字符串化操作符
在gcc的编译系统中，可以使用#将当前的内容转换成字符串。
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;
}
执行结果：
deng@itcast:~/tmp$ gcc test.c
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
<main>x / y = 0
<main>x + y = 8
<main>x * y = 15
#expr表示根据宏中的参数(即表达式的内容)，生成一个字符串。该过程同样是有编译器产生的，编译器在编译源文件的时候，如果遇到了类似的宏，会自动根据程序中表达式的内容，生成一个字符串的宏。
这种方式的优点是可以用统一的方法打印表达式的内容，在程序的调试过程中可以方便直观的看到转换字符串之后的表达式。具体的表达式的内容是什么，有编译器自动写入程序中，这样使用相同的宏打印所有表达式的字符串。
//打印字符
#define debugc(expr) printf("<char> %s = %c\n", #expr, expr)
//打印浮点数
#define debugf(expr) printf("<float> %s = %f\n", #expr, expr)
//按照16进制打印整数
#define debugx(expr) printf("<int> %s = 0X%x\n", #expr, expr);
由于#expr本质上市一个表示字符串的宏，因此在程序中也可以不适用%s打印它的内容，而是可以将其直接与其它的字符串连接。因此，上述宏可以等价以下形式:
//打印字符
#define debugc(expr) printf("<char> #expr = %c\n", expr)
//打印浮点数
#define debugf(expr) printf("<float> #expr = %f\n", expr)
//按照16进制打印整数
#define debugx(expr) printf("<int> #expr = 0X%x\n", expr);
总结：
#是C语言预处理阶段的字符串化操作符，可将宏中的内容转换成字符串。
3. ## 连接操作符
在gcc的编译系统中，##是C语言中的连接操作符，可以在编译的预处理阶段实现字符串连接的操作。
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)宏被定义为test##x, 他表示test字符串和x字符串的连接。
在程序的调试语句中，##常用的方式如下
#define DEBUG(fmt, args...) printf(fmt, ##args)
替换的方式是将参数的两个部分以##连接。##表示连接变量代表前面的参数列表。使用这种形式可以将宏的参数传递给一个参数。args…是宏的参数，表示可变的参数列表，使用##args将其传给printf函数.
总结：
##是C语言预处理阶段的连接操作符，可实现宏参数的连接。
4. 调试宏第一种形式
一种定义的方式:
#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;
}
总结：
上面的DEBUG定义的方式是两条语句的组合，不可能在产生返回值，因此不能使用它的返回值。
5. 调试宏的第二种定义方式
调试宏的第二种定义方式
#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;
}
总结：
fmt必须是一个字符串，不能使用指针，只有这样才可以实现字符串的功能。
6. 对调试语句进行分级审查
即使定义了调试的宏，在工程足够大的情况下，也会导致在打开宏开关的时候在终端出现大量的信息。而无法区分哪些是有用的。这个时候就要加入分级检查机制，可以定义不同的调试级别，这样就可以对不同重要程序和不同的模块进行区分，需要调试哪一个模块就可以打开那一个模块的调试级别。
一般可以利用配置文件的方式显示，其实Linux内核也是这么做的，它把调试的等级分成了7个不同重要程度的级别，只有设定某个级别可以显示，对应的调试信息才会打印到终端上。
可以写出一下配置文件
[debug]
debug_level=XXX_MODULE
解析配置文件使用标准的字符串操作库函数就可以获取XXX_MODULE这个数值。
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 (...)
{
....
}
}
7. 条件编译调试语句
在实际的开发中，一般会维护两种源程序，一种是带有调试语句的调试版本程序，另外一种是不带有调试语句的发布版本程序。然后根据不同的条件编译选项，编译出不同的调试版本和发布版本的程序。
在实现过程中，可以使用一个调试宏来控制调试语句的开关。
#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被定义，那么有调试信息，否则DEBUG就为空。
如果需要调试信息，就只需要在程序中更改一行就可以了。
#define USE_DEBUG
#undef USE_DEBUG
定义条件编译的方式使用一个带有值的宏
#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
可以使用如下方式进行条件编译
#ifndef USE_DEBUG
#define USE_DEBUG 0
#endif
8. 使用do…while的宏定义
使用宏定义可以将一些较为短小的功能封装，方便使用。宏的形式和函数类似，但是可以节省函数跳转的开销。如何将一个语句封装成一个宏，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");
9. 代码剖析
对于比较大的程序，可以借助一些工具来首先把需要优化的点清理出来。接下来我们来看看在程序执行过程中获取数据并进行分析的工具：代码剖析程序。
测试程序：
#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;
}
编译的时候加入-pg选项：
deng@itcast:~/tmp$ gcc -pg test.c -o test
执行完成后，在当前文件中生成了一个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
其中主要的信息有两个，一个是每个函数执行的时间占程序总时间的百分比，另外一个就是函数被调用的次数。通过这些信息，可以优化核心程序的实现方式来提高效率。
当然这个剖析程序由于它自身特性有一些限制，比较适用于运行时间比较长的程序，因为统计的时间是基于间隔计数这种机制，所以还需要考虑函数执行的相对时间，如果程序执行时间过短，那得到的信息是没有任何参考意义的。
将上诉程序时间缩短：
#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;
}
剖析结果如下：
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
因此该剖析程序对于越复杂、执行时间越长的函数也适用。
那么是不是每个函数执行的绝对时间越长，剖析显示的时间就真的越长呢？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;
}
剖析结果如下：
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
总结：
在使用gprof工具的时候，对于一个函数进行gprof方式的剖析，实质上的时间是指除去库函数调用和系统调用之外，纯碎应用部分开发的实际代码运行的时间。
也就是说，time一项描述的时间值不包括库函数printf、系统调用system等运行的时间。这些实用库函数的程序虽然运行的时候，将比最初的程序实用更多的时间，但是对于剖析函数来说并没有影响。
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