Ruby Cネイティブ拡張gemの作成・デバッグ

Wataru Ashihara

2021-08-14 3444 words

Contents

English: How to create and debug Ruby gem with C (native) extension

Cネイティブ拡張を含んだRuby gemの作成と、gdbによるデバッグ方法のチュートリアルです。

本記事で用いたコードはGitHubにアップしました。

以下の環境でテストしました:

Ubuntu 20.04 (with self-built Linux kernel 5.11.22+)
Ruby 2.7.4

Warning

初めてこの記事の内容を実行する際はRuby 2.7.4を使うことを推奨します。 Ruby C拡張の作成は、Rubyのバージョンを変えただけでエラーに遭遇する確立が高いと考えます。例えば、2021-08-14現在、Ruby 3.0.2で bundle exec rake install を実行すると以下のエラーで失敗します。

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$ bundle exec rake install
install -c tmp/x86_64-linux/example_ext/3.0.2/example_ext.so lib/example_ext/example_ext.so
cp tmp/x86_64-linux/example_ext/3.0.2/example_ext.so tmp/x86_64-linux/stage/lib/example_ext/example_ext.so
example_ext 0.1.0 built to pkg/example_ext-0.1.0.gem.
rake aborted!
Couldn't install gem, run `gem install /tmp/ruby-c-extension/example_ext/pkg/example_ext-0.1.0.gem' for more detailed output
/home/wsh/.rbenv/versions/3.0.2-dbg/bin/bundle:23:in `load'
/home/wsh/.rbenv/versions/3.0.2-dbg/bin/bundle:23:in `<main>'
Tasks: TOP => install
(See full trace by running task with --trace)

$ bundle exec gem install /tmp/ruby-c-extension/example_ext/pkg/example_ext-0.1.0.gem
ERROR:  Error installing /tmp/ruby-c-extension/example_ext/pkg/example_ext-0.1.0.gem:
	ERROR: Failed to build gem native extension.

    No such file or directory @ dir_s_mkdir - /home/wsh/.rbenv/versions/3.0.2-dbg/lib/ruby/gems/3.0.0/gems/example_ext-0.1.0/ext/example_ext/.gem.20210813-500914-tvlpga

Gem files will remain installed in /home/wsh/.rbenv/versions/3.0.2-dbg/lib/ruby/gems/3.0.0/gems/example_ext-0.1.0 for inspection.
Results logged to /home/wsh/.rbenv/versions/3.0.2-dbg/lib/ruby/gems/3.0.0/extensions/x86_64-linux/3.0.0-static/example_ext-0.1.0/gem_make.out

エラーでつまづかないように、まずはRuby 2.7.4で実行してみて下さい。

CRubyのビルド

このステップは必須ではないので読み飛ばしOKです。

ruby をビルドすることで、gemデバッグ開発中にRuby本体もステップ実行できるようになり、gem開発の助けになります。

ここではrbenv+ruby-buildを使います。 rbenvは ~/.rbenv にインストールされているとします。

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# --keep keeps source code in ~/.rbenv/sources/2.7.4/ruby-2.7.4/
rbenv install --keep --verbose 2.7.4
rbenv shell 2.7.4

# confirm that ruby is debuggable
rbenv which ruby    # => /home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4/bin/ruby
gdb -q ~/.rbenv/versions/2.7.4/bin/ruby

gdbセッションで以下のコマンドを実行してみて下さい。

break main
run -e 'puts("hello")'
info line
info source
list
continue
quit

以下のような出力が得られるはずです。

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(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x1120: file ./main.c, line 38.

(gdb) run -e 'puts("hello")'
Starting program: /home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4/bin/ruby -e 'puts("hello")'
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".

Breakpoint 1, main (argc=3, argv=0x7fffffffd748) at ./main.c:38
38	{

(gdb) info line
Line 38 of "./main.c" starts at address 0x555555555120 <main> and ends at 0x555555555149 <main+41>.

(gdb) info source
Current source file is ./main.c
Compilation directory is /home/wsh/.rbenv/sources/2.7.4/ruby-2.7.4
Located in /home/wsh/.rbenv/sources/2.7.4/ruby-2.7.4/main.c
Contains 52 lines.
Source language is c.
Producer is GNU C99 9.3.0 -mtune=generic -march=x86-64 -ggdb3 -O3 -std=gnu99 -fPIC -fstack-protector-strong -fno-strict-overflow -fvisibility=hidden -fexcess-precision=standard -fasynchronous-unwind-tables -fstack-protector-strong -fstack-clash-protection -fcf-protection.
Compiled with DWARF 2 debugging format.
Includes preprocessor macro info.

(gdb) list
33	#include <stdlib.h>
34	#endif
35	
36	int
37	main(int argc, char **argv)
38	{
39	#ifdef RUBY_DEBUG_ENV
40	    ruby_set_debug_option(getenv("RUBY_DEBUG"));
41	#endif
42	#ifdef HAVE_LOCALE_H

(gdb) continue
Continuing.
hello
[Inferior 1 (process 360063) exited normally]

(gdb) quit

最適化を無効 (-O0) にしてビルドするとよりデバッグしやすくなります。

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git clone https://github.com/ruby/ruby.git
git checkout v2_7_4
cd ruby/
autoconf  # as written in README.md
mkdir build; cd build/
# --disable-install-doc saves build time
../configure --prefix=$HOME/.rbenv/versions/2.7.4-dbg --disable-install-doc --enable-debug-env optflags="-O0"
make V=1 -j4
make install
rbenv shell 2.7.4-dbg
rbenv version     # 2.7.4-dbg (set by RBENV_VERSION environment variable)
ruby --version    # ruby 2.7.4p191 (2021-07-07 revision a21a3b7d23) [x86_64-linux]
rbenv which ruby  # /home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby
gdb -q ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -ex 'b main' -ex 'r -e "puts 42"' -ex 'c' -ex 'q'  # Breakpoint 1, main (argc=3, argv=0x7fffffffd728) at ../main.c:38

tar ballでソースを取得しても良いです。

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wget https://cache.ruby-lang.org/pub/ruby/2.7/ruby-2.7.4.tar.gz
tar xvf ruby-2.7.4.tar.gz
cd ruby-2.7.4/
mkdir build/; cd build/
# --disable-install-doc saves build time
../configure --prefix=$HOME/.rbenv/versions/2.7.4-dbg --disable-install-doc --enable-debug-env optflags="-O0"
make V=1 -j4
make install
rbenv shell 2.7.4-dbg
rbenv version   # 2.7.4-dbg (set by RBENV_VERSION environment variable)
ruby --version  # ruby 2.7.4p107 (2021-07-07 revision a21a3b7d23) [x86_64-linux]
gdb -q ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -ex 'b main' -ex 'r -e "puts 42"' -ex 'c' -ex 'q'  # Breakpoint 1, main (argc=3, argv=0x7fffffffd728) at ../main.c:38

debug=flags=-ggdb3 がデフォルトになっているのでデバッグオプションの指定は必要ありません。
V=1 でビルド時のコマンドを表示できます。

以降、rbenv shell 2.7.4-dbg (~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/) を使用することにします。

gemの作成とビルド

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rbenv shell 2.7.4-dbg
which bundle               # /home/wsh/.rbenv/shims/bundle
rbenv which bundle         # /home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/bundle
bundle --version           # Bundler version 2.1.4

# Enter, Enter, Enter...
#   Do you want to generate tests with your gem? -> none
#   Do you want to license your code permissively under the MIT license? -> n
#   Do you want to include a code of conduct in gems you generate? -> n
# Or, of course you can select y, y, y...
# These selections will be stored into ~/.bundle/config .
bundle gem example_ext --ext

cd example_ext/
git commit -m 'bundle gem example_ext --ext'
bin/setup  # as described in ./README.md

bin/setup 以下のようにエラーとなってしまいます。

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$ bin/setup

bundle install
+ bundle install
You have one or more invalid gemspecs that need to be fixed.
The gemspec at /tmp/ruby-c-extension/example_ext/example_ext.gemspec is not valid. Please fix this gemspec.
The validation error was 'metadata['homepage_uri'] has invalid link: "TODO: Put your gem's website or public repo URL here."'

example_ext.gemspec を編集して直します。

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diff --git a/example_ext.gemspec b/example_ext.gemspec
index f190b0e..a34275f 100644
--- a/example_ext.gemspec
+++ b/example_ext.gemspec
@@ -6,16 +6,16 @@ Gem::Specification.new do |spec|
   spec.authors       = ["Wataru Ashihara"]
   spec.email         = ["wataash@wataash.com"]
 
-  spec.summary       = %q{TODO: Write a short summary, because RubyGems requires one.}
-  spec.description   = %q{TODO: Write a longer description or delete this line.}
-  spec.homepage      = "TODO: Put your gem's website or public repo URL here."
+  spec.summary       = %q{Write a short summary, because RubyGems requires one.}
+  # spec.description   = %q{TODO: Write a longer description or delete this line.}
+  # spec.homepage      = "TODO: Put your gem's website or public repo URL here."
   spec.required_ruby_version = Gem::Requirement.new(">= 2.3.0")
 
   spec.metadata["allowed_push_host"] = "TODO: Set to 'http://mygemserver.com'"
 
-  spec.metadata["homepage_uri"] = spec.homepage
-  spec.metadata["source_code_uri"] = "TODO: Put your gem's public repo URL here."
-  spec.metadata["changelog_uri"] = "TODO: Put your gem's CHANGELOG.md URL here."
+  # spec.metadata["homepage_uri"] = spec.homepage
+  # spec.metadata["source_code_uri"] = "TODO: Put your gem's public repo URL here."
+  # spec.metadata["changelog_uri"] = "TODO: Put your gem's CHANGELOG.md URL here."
 
   # Specify which files should be added to the gem when it is released.
   # The `git ls-files -z` loads the files in the RubyGem that have been added into git.

View on GitHub

これでビルドが通るはずです。

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bin/setup
bundle exec rake install  # as described in README.md
bundle exec ruby -e 'require "example_ext"; p ExampleExt::VERSION'  # "0.1.0"

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$ bin/setup

bundle install
+ bundle install
Using rake 12.3.3
Using bundler 2.1.4
Using example_ext 0.1.0 from source at `.`
Using rake-compiler 1.1.1
Bundle complete! 3 Gemfile dependencies, 4 gems now installed.
Use `bundle info [gemname]` to see where a bundled gem is installed.

# Do any other automated setup that you need to do here

$ bundle exec rake install
mkdir -p tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
cd tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -I. ../../../../ext/example_ext/extconf.rb
creating Makefile
cd -
cd tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
/usr/bin/make
compiling ../../../../ext/example_ext/example_ext.c
linking shared-object example_ext/example_ext.so
cd -
mkdir -p tmp/x86_64-linux/stage/lib/example_ext
install -c tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so lib/example_ext/example_ext.so
cp tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so tmp/x86_64-linux/stage/lib/example_ext/example_ext.so
example_ext 0.1.0 built to pkg/example_ext-0.1.0.gem.
example_ext (0.1.0) installed.

$ bundle exec ruby -e 'require "example_ext"; p ExampleExt::VERSION'
"0.1.0"

C拡張を実装してみましょう。モジュールメソッド ExampleExt.hello を作成します。

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diff --git a/ext/example_ext/example_ext.c b/ext/example_ext/example_ext.c
index c89d90a..f47c72e 100644
--- a/ext/example_ext/example_ext.c
+++ b/ext/example_ext/example_ext.c
@@ -2,8 +2,18 @@
 
 VALUE rb_mExampleExt;
 
+static VALUE
+example_hello(VALUE obj)
+{
+  printf("hello\n");
+
+  return Qnil;
+}
+
 void
 Init_example_ext(void)
 {
   rb_mExampleExt = rb_define_module("ExampleExt");
+
+  rb_define_module_function(rb_mExampleExt, "hello", example_hello, 0);
 }

View on GitHub

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bundle exec rake install
bundle exec ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'  # hello

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$ bundle exec rake install
cd tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
/usr/bin/make
compiling ../../../../ext/example_ext/example_ext.c
linking shared-object example_ext/example_ext.so
cd -
install -c tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so lib/example_ext/example_ext.so
cp tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so tmp/x86_64-linux/stage/lib/example_ext/example_ext.so
example_ext 0.1.0 built to pkg/example_ext-0.1.0.gem.
example_ext (0.1.0) installed.

$ bundle exec ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'
hello

Ruby C APIはほとんどドキュメントされていません。最初に読むガイドとしてThe Definitive Guide to Ruby’s C APIがオススメです。

gdbによるC拡張のデバッグ

C拡張を最適化無効 (-O0)、デバッグシンボル付き (-ggdb3) でビルドします。

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cd ext/example_ext/
vim extconf.rb          # apply diff below
ruby extconf.rb
make clean && make V=1  # gcc -ggdb3 -O0
make clean
cd ../../
bundle exec rake install

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diff --git a/ext/example_ext/extconf.rb b/ext/example_ext/extconf.rb
index f657c82..7f21db4 100644
--- a/ext/example_ext/extconf.rb
+++ b/ext/example_ext/extconf.rb
@@ -1,3 +1,13 @@
+require "rbconfig"
+if RbConfig::MAKEFILE_CONFIG["CFLAGS"].include?("-g -O2")
+  fixed_CFLAGS = RbConfig::MAKEFILE_CONFIG["CFLAGS"].sub("-g -O2", "$(cflags)")
+  puts("Fix CFLAGS: #{RbConfig::MAKEFILE_CONFIG["CFLAGS"]} -> #{fixed_CFLAGS}")
+  RbConfig::MAKEFILE_CONFIG["CFLAGS"] = fixed_CFLAGS
+end
+
 require "mkmf"
 
+CONFIG["optflags"] = "-O0"
+CONFIG["debugflags"] = "-ggdb3"
+
 create_makefile("example_ext/example_ext")

diffの解説

CONFIG["optflags"] = "-O0"・CONFIG["debugflags"] = "-ggdb3" は、 Makefile変数 optflags・debugflags になり、これは CFLAGS として使われます。

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cflags   = $(optflags) $(debugflags) $(warnflags)
optflags = -O0
debugflags = -ggdb3
CFLAGS   = $(CCDLFLAGS) $(cflags) $(ARCH_FLAG)

Rubyを optflags="-O0" (とデフォルト値の debugflags="-ggdb3") でビルドした場合はこれは不要です。 Rubyビルド時の optflags・debugflags が使われるためです Rubyビルド時のフラグは ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/lib/ruby/2.7.0/x86_64-linux/rbconfig.rb で以下のように定義されています。

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  CONFIG["debugflags"] = "-ggdb3"
  CONFIG["optflags"] = "-O0"

rbconfig.rb での CFLAGS は以下のようになっています。

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# 2.7.1: ~/.rbenv/versions/2.7.1/lib/ruby/2.7.0/x86_64-linux/rbconfig.rb
  CONFIG["CFLAGS"] = "$(cflags)  -fPIC"
# 2.7.4: ~/.rbenv/versions/2.7.4/lib/ruby/2.7.0/x86_64-linux/rbconfig.rb
  CONFIG["CFLAGS"] = "-g -O2 -fPIC"
# 2.7.4-dbg: ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/lib/ruby/2.7.0/x86_64-linux/rbconfig.rb
  CONFIG["CFLAGS"] = "-g -O2"
# 3.0.2: ~/.rbenv/versions/3.0.2/lib/ruby/3.0.0/x86_64-linux/rbconfig.rb
  CONFIG["CFLAGS"] = "$(cflags)  -fPIC"

この影響を受けて、ruby extconf.rb で生成される Makefile の CFLAGS は以下のようになります。

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# 2.7.1
CFLAGS   = $(CCDLFLAGS) $(cflags)  -fPIC $(ARCH_FLAG)
# 2.7.4
CFLAGS   = $(CCDLFLAGS) -g -O2 -fPIC $(ARCH_FLAG)
# 2.7.4-dbg
CFLAGS   = $(CCDLFLAGS) -g -O2 $(ARCH_FLAG)
# 3.0.2
CFLAGS   = $(CCDLFLAGS) $(cflags)  -fPIC $(ARCH_FLAG)

2.7.4はバグってるっぽいです。 $(cflags) は使われないので、-ggdb3 -O0 が指定できず、常に -g -O2 でビルドされることになります。 RbConfig::MAKEFILE_CONFIG["CFLAGS"] = fixed_CFLAGS はこのバグを直すためのものです。

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$ ruby extconf.rb
Fix CFLAGS: -g -O2 -> $(cflags)
creating Makefile

$ make clean && make V=1
gcc -I. -I/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/include/ruby-2.7.0/x86_64-linux -I/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/include/ruby-2.7.0/ruby/backward -I/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/include/ruby-2.7.0 -I.   -fPIC -ggdb3  -o example_ext.o -c example_ext.c
rm -f example_ext.so
gcc -shared -o example_ext.so example_ext.o -L. -L/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/lib -Wl,-rpath,/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/lib -L. -fstack-protector-strong -rdynamic -Wl,-export-dynamic -Wl,--compress-debug-sections=zlib    -lm   -lc

$ make clean

$ cd ../../

$ bundle exec rake install
cd tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
/home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -I. ../../../../ext/example_ext/extconf.rb
Fix CFLAGS: -g -O2 -> $(cflags)
creating Makefile
cd -
cd tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4
/usr/bin/make
linking shared-object example_ext/example_ext.so
cd -
install -c tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so lib/example_ext/example_ext.so
cp tmp/x86_64-linux/example_ext/2.7.4/example_ext.so tmp/x86_64-linux/stage/lib/example_ext/example_ext.so
example_ext 0.1.0 built to pkg/example_ext-0.1.0.gem.
example_ext (0.1.0) installed.

gdb でデバッグしてみます。

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# (a) recommended:
bundle exec       gdb -q -ex 'set breakpoint pending on' -ex 'b example_hello' -ex run --args ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'
# (b) or:
env RUBYLIB=./lib gdb -q -ex 'set breakpoint pending on' -ex 'b example_hello' -ex run --args ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'
# (c) not recommended:
gdb                   -q -ex 'set breakpoint pending on' -ex 'b example_hello' -ex run --args ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'

gdbの実行の仕方の解説

(a): bundle exec 中では require "example_ext" は（間接的に）/path/to/example_ext/example_ext.so を読み込みます。 example_ext.so のデバッグ情報は /path/to/example_ext/ext/example_ext/example_ext.c を参照しています。 (b)では ruby バイナリの場所を直接指定する必要があります。 bundle exec が無いと ruby コマンドはシェルスクリプトを指し、gdbで読み込めないためです。また、RUBY_LIB=./lib を指定する必要があります。これが無いと(c)、読み込まれる共有ライブラリは ~/.rbenv/versions/trunk/.../example_ext.so となり、 .rbenv/versions/trunk/.../example_ext.c をデバッグすることになってしまいます[1]。この場合でもgdbの set substitute-path でオリジナルのソースを参照することが可能です。

より詳しく理解するためには以下のコマンドを実行してみて下さい。

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echo $PATH
which -a ruby
bundle exec echo $PATH
bundle exec which -a ruby
file ~/.rbenv/shims/ruby
file ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby
ruby -e 'p $:'  # or $LOAD_PATH
bundle exec ruby -e 'p $:'
env RUBYLIB=./lib ruby -e 'p $:'

[1]: rake install タスクは build タスクを実行し、これは gem install /path/to/example_ext/pkg/example_ext-0.1.0.gem を実行します。 gem install example_ext-0.1.0.gem はCソースを ~/.rbenv/versions/trunk/lib/ruby/gems/2.7.0/gems/example_ext-0.1.0/ に展開してからコンパイルするため、デバッグ情報のソースパスは ~/.rbenv/versions/trunk/lib/ruby/gems/2.7.0/gems/example_ext-0.1.0/ext/example_ext/example_ext.c を指すことになってしまいます。これはドキュメントされていませんが、ソース (1) (2) (3) (4) と bundle exec ruby -rtracer ~/.rbenv/versions/trunk/bin/rake --trace install を見て調べました。

References:

bundle exec ruby -rtracer ~/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/rake --trace install
https://github.com/bundler/bundler/blob/v2.0.1/lib/bundler/gem_helper.rb#L46
https://github.com/bundler/bundler/blob/v2.0.1/lib/bundler/gem_helper.rb#L88
https://github.com/rubygems/rubygems/blob/v3.0.2/lib/rubygems/installer.rb#L318
https://github.com/rake-compiler/rake-compiler/blob/v1.0.7/lib/rake/extensiontask.rb#L205

これでC拡張のデバッグができるようになりました。

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$ bundle exec       gdb -q -ex 'set breakpoint pending on' -ex 'b example_hello' -ex run --args ruby -e 'require "example_ext"; ExampleExt.hello'
Reading symbols from ruby...
Function "example_hello" not defined.
Breakpoint 1 (example_hello) pending.
Starting program: /home/wsh/.rbenv/versions/2.7.4-dbg/bin/ruby -e require\ \"example_ext\"\;\ ExampleExt.hello
[Thread debugging using libthread_db enabled]
Using host libthread_db library "/lib/x86_64-linux-gnu/libthread_db.so.1".
[Detaching after vfork from child process 802638]
Breakpoint 1, example_hello (obj=93824995722496) at ../../../../ext/example_ext/example_ext.c:7
7	{

(gdb) list
2	
3	VALUE rb_mExampleExt;
4	
5	static VALUE
6	example_hello(VALUE obj)
7	{
8	  printf("hello\n");
9	
10	  return Qnil;
11	}

(gdb) next
8	  printf("hello\n");

(gdb) next
hello
10	  return Qnil;

(gdb) next
11	}

(gdb) next
vm_call_cfunc_with_frame (empty_kw_splat=<optimized out>, cd=0x55555607f450, calling=<optimized out>, reg_cfp=0x7ffff71a9fa0, ec=0x5555558a8500) at ../vm_insnhelper.c:2516
2516	    CHECK_CFP_CONSISTENCY("vm_call_cfunc");

(gdb) continue
Continuing.
[Inferior 1 (process 820270) exited normally]

(gdb) quit

Contents

Ruby Cネイティブ拡張gemの作成・デバッグ

CRubyのビルド

gemの作成とビルド

gdbによるC拡張のデバッグ

参考