Visual Studio 高级调试-(上)

概述

编程圈子里隔三差五的就会有场“谁是最强IDE”之争，重要的是我们需要对使用的IDE有充分的了解，正所谓工欲善其事，必先利其器。

本文主要讲述Visual Studio常用的调试技巧，包括多类型断点，数据监视，以及多线程调试等。下篇则侧重于性能分析和Visual Studio Enterprise 版本所特有的一些高级功能。

调试原理

PDB文件

PDB被称为符号文件或程序数据库文件，它主要用来保存源代码和二进制指令文件(dll)之间的映射关系。主要用途有两个：1.指出二进制指令所对应的代码位置，即源文件和行号；2.帮调试器确定断点位置。

Visual Studio在Release模式下也会生成.pdb文件，但这并不意味着我们项目发布需要它。事实上，由于.pdb是编译时与.dll一起生成的，因此它只会记录当时代码与dll的映射关系，随着存储库代码的变更，它的价值会越来越低。并且它是保存有编译机器上的代码路径信息的，因此存在安全隐患。

有同学会将堆栈信息与pdb的关系搞混，异常发生时的堆栈信息是CLR生成的，跟pdb没有任何关系。

Visual Studio要求pdb版本与所调试代码版本必须完全一致。

调试外部代码

Visual Studio默认开启仅我的代码调试，如果希望能直接调试第三方代码，需要开启外部代码调试：

调试 ->常规 -> 启用.NET Framework单步执行 & 启用源服务器支持

调试 -> 符号 -> 符号文件(.pdb)位置，勾选Microsoft 和Nuget符号服务器

启动调试后，Visual Studio会首先将第三方模块的pdb文件下载到本地目录，再根据pdb文件中指出的源文件地址，到源文件服务器下载源文件，这一切完成之后，我们的断点才可以被命中，之后再按F11即可调试第三方源代码。

启用外部代码调试通常比较耗时，一般不推荐使用。

调试System.Collections.Generic.List<T>源码

断点

一切调试的前提都基于断点，Visual Studio为我们提供了多种类型的断点，熟悉不同类型的断点并在合适的场景下运用它们，可以提高调试效率。

★表达式断点★

用当前可访问对象来设置一条bool表达式，当表达式条件为true时才会命中的断点

命中次数断点

为循环语句而设计的断点，假如你认为程序循环执行到一定次数将会出错时可以使用这种断点。

一次性断点

顾名思义，命中一次之后会自动消失的断点。

前置依赖断点

必须先命中指定的断点，才能被命中的断点。

函数名断点

当函数有多个重载或函数名称重复时，可以设置函数名断点，它会在调试时自动为所有函数设置断点。

函数名断点

数据监视

调试的目的是为了观察程序当前的运行状态，在Visual Studio中我们主要通过以下几种窗口来观察当前数据。

局部变量窗口

我们可以查看当前作用域内的对象或者变量值。

监视窗口

当前数据较多时，更方便的查看某个对象或者变量值；也可用来追踪超范围对象，监视函数返回值等。

★即时窗口★

可以对当前作用域内的元素进行运算，或者执行某个方法获取结果，为我们推断程序运行结果，排查复杂问题提供了极大的便利。

自动窗口

可以在函数执行完之后查看到函数的返回值，而不必在调试时创建一个变量来查看执行结果。

超范围对象跟踪

在局部变量窗口为对象创建一个id，并且添加到监视变量窗口当中。这样即使变量离开了当前代码的监测范围，我们依然可以观察到该对象的实时状态。

集合可视化

从Visual Studio 2022开始支持集合对象的可视化，集合中的元素可以用表格的形式展现在VS中，并且支持数据导出。

★多线程调试★

多线程调试则是开发者必须要掌握的重要技能。Visual Studio用于调试线程的主要工具有线程窗口、线程标记、并行堆栈窗口、并行监视窗口等，我们可以查看并行堆栈信息，进行线程标记，切换，冻结等操作。

模拟多线程场景

同学们应该都了解过线程安全集合与非线程安全集合相关知识，我们先用以下代码来模拟一个非线程安全的List。

class SampleList
{
    public int Index = 0;
    public int[] Array = new int[100];

    public void Add(int i)
    {
        if(Index > 99)
        {
            return;
        }

        Array[Index] = i;
        Index++;

        Console.WriteLine($"Insert {i} at array index:{Index}");
    }
}

然后我们在Main函数中创建1个SampleList，使用5个线程同时插入数据，观察不同线程中Index和Array的值。

var sample = new SampleList();
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
    new Thread(() =>
    {
        for(int j = 0; j < 20; j++)
        {
            sample.Add(1);
            Thread.Sleep(500);
        }
    }).Start();
}

Console.ReadKey();

在源中显示线程

点击Visual Studio菜单中的"双绞线"图标，开启在源中显示线程。

它的作用是在源代码中标记不同的线程正在执行的位置，和断点显示的位置一样，它会显示一个双绞线图标。我们还可以右击该图标进行线程切换。

线程窗口

开始调试，等程序运行几秒钟后打上断点，在线程窗口我们可以观察到进程当前的所有线程状态。我们可以查看线程ID，类型，当前所在位置等，你还可以选择窗口上方的"列"来展示更多信息。

当我们命中断点之后，所有的线程都会停下来。展开线程调用堆栈，我们可以清楚的观察到当前有五个线程正在执行SampleList.Add() 方法，除了主线程外，还有一些.NET项目自身的基础线程在工作。

并行堆栈

并行堆栈展示的是当前线程之间的调用关系，以及堆栈信息。我们可以切换到视图模式，可以导出。并且因为C#中具有更高级别的抽象"线程":Task, 并行堆栈窗口还支持任务这种异步逻辑堆栈。

并行监视

前面我们已经观察到，当前有5个线程正在执行SampleList.Add()方法，而监视窗口只能观察到当前线程的数据，因此我们需要用到并行监视窗口。窗口中会显示每个线程中 Index和Array 的值。

线程标记

假如我们希望只看执行SampleList.Add() 方法方法的5个线程，则可以将它们设置为标记状态，该状态可以用于筛选线程。选择"仅显示标记线程"之后，并行监视窗口也会同步筛选条件。

跟踪单个线程

在别处再打一个断点，此时你按F5进行调试时，会发现调试器将以乱序进行工作，有没有办法在同一线程内进行调试呢？我们可以利用前面所提到的条件断点来实现这一操作。

使用筛选器，设置ThreadId，这样断点就只会在指定线程执行时命中了。

冻结线程

有时候，我们希望某个线程停下来，或者仅让一个线程单独执行，或者让线程以我们想要的顺序来执行，以此来观察程序状态，比如解决死锁问题等。

这时候可以利用线程冻结操作来完成。如图所示，我冻结了其余4个线程，仅让线程23908执行，此时使用F10、F11调试就与我们熟悉的单线程调试的情况无异了。

当前线程23908正在执行第26行，而其他线程则冻结在了34行。

冻结线程23908，解冻线程4744, 按F11, 调试将从线程4744堆栈所指示的位置(第34行)往下执行。

★多任务调试★

因为有更高级别的抽象库:System.Threading.Tasks.Task，所以C#中很少直接使用Thread来编写并行代码。Task并不是与线程一一对应的，一个线程可能会执行多个Task(C#并行编程: 从线程，线程池到任务_郭麻花的博客)，Visual Studio同样支持基于Task类型的多线程调试。