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C語言調(diào)試器是如何工作的
當(dāng)你用GDB 的時(shí)候，可以看到它完全控制了應(yīng)用程序進(jìn)程。當(dāng)你在程序運(yùn)行的時(shí)候用 Ctrl + C，程序的運(yùn)行就能夠終止，而GDB能展示它的當(dāng)前地址、堆棧跟蹤信息之類的內(nèi)容。你知道C語言調(diào)試器是如何工作的嗎?下面是小編為大家?guī)淼年P(guān)于C語言調(diào)試器是如何工作的的知識(shí)，歡迎閱讀。
但是它們怎么不工作呢?
開始，讓我們先研究它怎樣才會(huì)不工作。它不能通過閱讀和分析程序的二進(jìn)制信息來模擬程序的運(yùn)行。它其實(shí)能做，而那應(yīng)該能起作用(Valgrind 內(nèi)存調(diào)試器就是這樣工作的)，但是這樣的話會(huì)很慢。Valgrind會(huì)讓程序慢1000倍，但是GDB不會(huì)。它的工作機(jī)制與Qemu虛擬機(jī)一樣。
所以到底是怎么回事?黑魔法?……不，如果那樣的話就太簡單了。
另一種猜想?……?破解!是的，這里正是這樣的。操作系統(tǒng)內(nèi)核也提供了一些幫助。
首先，關(guān)于Linux的進(jìn)程機(jī)制需要了解一件事：父進(jìn)程可以獲得子進(jìn)程的附加信息，也能夠ptrace它們。并且你可以猜到的是，調(diào)試器是被調(diào)試的進(jìn)程的父進(jìn)程(或者它會(huì)變成父進(jìn)程，在Linux中進(jìn)程可以將一個(gè)進(jìn)程變?yōu)樽约鹤舆M(jìn)程:-))
Linux Ptrace API
Linux Ptrace API 允許一個(gè)(調(diào)試器)進(jìn)程來獲取低等級的其他(被調(diào)試的)進(jìn)程的信息。特別的，這個(gè)調(diào)試器可以：
讀寫被調(diào)試進(jìn)程的內(nèi)存 ：PTRACE_PEEKTEXT、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_POKE……
讀寫被調(diào)試進(jìn)程的CPU寄存器 PTRACE_GETREGSET、PTRACE_SETREGS
因系統(tǒng)活動(dòng)而被提醒：PTRACE_O_TRACEEXEC, PTRACE_O_TRACECLONE, PTRACE_O_EXITKILL, PTRACE_SYSCALL(你可以通過這些標(biāo)識(shí)區(qū)分exec syscall、clone、exit以及其他系統(tǒng)調(diào)用)
控制它的執(zhí)行：PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_KILL、PTRACE_INTERRUPT、PTRACE_CONT (注意，CPU在這里是單步執(zhí)行)
修改它的信號處理：PTRACE_GETSIGINFO、PTRACE_SETSIGINFO
Ptrace是如何實(shí)現(xiàn)的?
Ptrace的實(shí)現(xiàn)不在本文討論的范圍內(nèi)，所以我不想進(jìn)一步討論，只是簡單地解釋它是如何工作的(我不是內(nèi)核專家，如果我說錯(cuò)了請一定指出來，并原諒我過分簡化:-))
Ptrace 是Linux內(nèi)核的一部分，所以它能夠獲取進(jìn)程所有內(nèi)核級信息：
讀寫數(shù)據(jù)?Linux有copy_to/from_user。
獲取CPU寄存器?用copy_regset_to/from_user很輕松(這里沒有什么復(fù)雜的，因?yàn)镃PU寄存器在進(jìn)程未被調(diào)度時(shí)保存在Linux的struct task_struct *調(diào)度結(jié)構(gòu)中)。
修改信號處理?更新域last_siginfo
單步執(zhí)行?在處理器出發(fā)執(zhí)行前，設(shè)置進(jìn)程task結(jié)構(gòu)的right flag(ARM、x86)
Ptrace是在很多計(jì)劃的操作中被Hooked(搜索 ptrace_event函數(shù))，所以它可以在被詢問時(shí)(PTRACE_O_TRACEEXEC選項(xiàng)和與它相關(guān)的)，向調(diào)試器發(fā)出一個(gè)SIGTRAP信號。
沒有Ptrace的系統(tǒng)會(huì)怎么樣呢?
這個(gè)解釋超出了特定的Linux本地調(diào)試，但是對于大部分其他環(huán)境是合理的。要了解GDB在不同目標(biāo)平臺(tái)請求的內(nèi)容，你可以看一下它在目標(biāo)棧里面的操作。
在這個(gè)目標(biāo)接口里，你可以看到所有C調(diào)試需要的高級操作：
struct target_ops
{
struct target_ops *beneath;
/* To the target under this one. */
const char *to_shortname;
/* Name this target type */
const char *to_longname;
/* Name for printing */
const char *to_doc;
/* Documentation. Does not include trailing
newline, and starts with a one-line descrip-
tion (probably similar to to_longname). */
void (*to_attach) (struct target_ops *ops, const char *, int);
void (*to_fetch_registers) (struct target_ops *, struct regcache *, int);
void (*to_store_registers) (struct target_ops *, struct regcache *, int);
int (*to__breakpoint) (struct target_ops *, struct gdbarch *,
struct bp_target_info *);
int (*to__watchpoint) (struct target_ops *,
CORE_ADDR, int, int, struct expression *);
}
普通的GDB調(diào)用這些函數(shù)，然后目標(biāo)相關(guān)的組件再實(shí)現(xiàn)它們。(概念上)這是一個(gè)棧，或者一個(gè)金字塔：棧頂?shù)氖欠浅Ｍㄓ玫�，比如�?/p>
系統(tǒng)特定的Linux
本地或遠(yuǎn)程調(diào)試
調(diào)試方式特定的(ptrace、ttrace)
指令集特定的(Linux ARM、Linux x86)
那個(gè)遠(yuǎn)程目標(biāo)很有趣，因?yàn)樗ㄟ^一個(gè)連接協(xié)議(TCP/IP、串行端口)把兩臺(tái)“電腦”間的執(zhí)行棧分離開來。
那個(gè)遠(yuǎn)程的部分可以是運(yùn)行在另一臺(tái)Linux機(jī)器上的gdbserver。但是它也可以是一個(gè)硬件調(diào)試端口的界面(JTAG) 或者一個(gè)虛擬的機(jī)器管理程序(比如 Qemu)，并能夠代替內(nèi)核和ptrace的功能。那個(gè)遠(yuǎn)程根調(diào)試器會(huì)查詢管理程序的結(jié)構(gòu)，或者直接地查詢處理器硬件寄存器來代替對OS內(nèi)核結(jié)構(gòu)的查詢。
想要深層次學(xué)習(xí)這個(gè)遠(yuǎn)程協(xié)議，Embecosm 寫了一篇一個(gè)關(guān)于不同信息的詳細(xì)指南。Gdbserver的事件處理循環(huán)在這，而也可以在這里找到Qemu gdb-server stub 。
總結(jié)一下
我們能看到ptrace的API提供了這里所有底層機(jī)制被要求實(shí)現(xiàn)的調(diào)試器：
獲取exec系統(tǒng)調(diào)用并從調(diào)用的地方阻止它執(zhí)行
查詢CPU的寄存器來獲得處理器當(dāng)前指令以及棧的地址
獲取clone或fork事件來檢測新線程
查看并改變數(shù)據(jù)地址讀取并改變內(nèi)存的變量
但是這就是一個(gè)調(diào)試器的全部工作嗎?不，這只是那些非常低級的部分……它還會(huì)處理符號。這是，鏈接源程序和二進(jìn)制文件。被忽視可能也是最重要的的一件事：斷點(diǎn)!我會(huì)首先解釋一下斷點(diǎn)是如何工作的，因?yàn)檫@部分內(nèi)容非常有趣且需要技巧，然后回到符號處理。
斷點(diǎn)不是Ptrace API的一部分
就像我們之前看到的那樣，斷點(diǎn)不是ptrace API的一部分。但是我們可以改動(dòng)內(nèi)存并獲取被調(diào)試的程序信號。你看不到其中的相關(guān)之處?這是因?yàn)閿帱c(diǎn)的實(shí)現(xiàn)比較需要技巧并且還要一點(diǎn)hack!讓我們來檢驗(yàn)一下如何在一個(gè)指定的地址設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)。
1、這個(gè)調(diào)試器讀取(ptrace追蹤)存在地址里的二進(jìn)制指令，并保存在它自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
2、它在這個(gè)位置寫入一個(gè)不合法的指令。不管這個(gè)指令是啥，只要它是不合法的。
3、當(dāng)被調(diào)試的程序運(yùn)行到這個(gè)不合法的指令時(shí)(或者更準(zhǔn)確地說，處理器將內(nèi)存中的內(nèi)容設(shè)置好時(shí))它不會(huì)繼續(xù)運(yùn)行(因?yàn)樗遣缓戏ǖ?。
4、在現(xiàn)代多任務(wù)系統(tǒng)中，一個(gè)不合法的指令不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)崩潰掉，但是會(huì)通過引發(fā)一個(gè)中斷(或錯(cuò)誤)把控制權(quán)交回給系統(tǒng)內(nèi)核。
5、這個(gè)中斷被Linux翻譯成一個(gè)SIGTRAP信號，然后被發(fā)送到處理器……或者發(fā)給它的父進(jìn)程，就像調(diào)試器希望的那樣。
6、調(diào)試器獲得信號并查看被調(diào)試的程序指令指針的值(換言之，是陷入 trap發(fā)生的地方)。如果這個(gè)IP地址是在斷點(diǎn)列表中，那么就是一個(gè)調(diào)試器的斷點(diǎn)(否則就是一個(gè)進(jìn)程中的錯(cuò)誤，只需要傳過信號并讓它崩潰)。
7、現(xiàn)在，那個(gè)被調(diào)試的程序已經(jīng)停在了斷點(diǎn)，調(diào)試器可以讓用戶來做任何他/她想要做的事，等待時(shí)機(jī)合適繼續(xù)執(zhí)行。
8、為了要繼續(xù)執(zhí)行，這個(gè)調(diào)試器需要 1、寫入正確的指令來回到被調(diào)試的程序的內(nèi)存; 2、單步執(zhí)行(繼續(xù)執(zhí)行單個(gè)CPU指令，伴隨著ptrace 單步執(zhí)行); 3、把非法指令寫回去(使得這個(gè)執(zhí)行過程下一次可以再次停止) ;4、讓這個(gè)執(zhí)行正常運(yùn)行
很整潔，是不是?作為一個(gè)旁觀的評論，你可以注意到，如果不是所有線程同時(shí)停止的話這個(gè)算法是不會(huì)工作的(因?yàn)檫\(yùn)行的線程可能會(huì)在合法的指令出現(xiàn)時(shí)傳出斷點(diǎn))。我不會(huì)詳細(xì)討論GDB是如何解決這個(gè)問題的，但在這篇論文里已經(jīng)說得很詳細(xì)了：使用GDB不間斷調(diào)試多線程程序。簡要地說，他們把指令寫到內(nèi)存中的其他地方，然后把那個(gè)指令的指針指向那個(gè)地址并單步執(zhí)行處理器。但是問題在于一些指令是和地址相關(guān)的，比如跳轉(zhuǎn)和條件跳轉(zhuǎn)……
處理符號和調(diào)試信息
現(xiàn)在，讓我們回到信號和調(diào)試信息處理。我沒有詳細(xì)地學(xué)習(xí)這部分，所以只是大體地說一說。
首先，我們是否可以不使用調(diào)試信息和信號地址來調(diào)試呢?答案是可以。因?yàn)檎缥覀兛吹竭^的那樣，所有的低級指令是對CPU寄存器和內(nèi)存地址來操作的，不是源程序?qū)用娴男畔�。因此，這個(gè)到源程序的鏈接只是為了方便用戶。沒有調(diào)試信息的時(shí)候，你看程序的方式就像是處理器(和內(nèi)核)看到的一樣：二進(jìn)制(匯編)指令和內(nèi)存字節(jié)。GDB不需要進(jìn)一步的信息來把二進(jìn)制信息翻譯成CPU指令：
(gdb) x/10x $pc # heXadecimal representation
0x402c60: 0x56415741 0x54415541 0x55f48949 0x4853fd89
0x402c70: 0x03a8ec81 0x8b480000 0x8b48643e 0x00282504
0x402c80: 0x89480000 0x03982484
(gdb) x/10i $pc # Instruction representation
=> 0x402c60: push %r15
0x402c62: push %r14
0x402c64: push %r13
0x402c66: push %r12
0x402c68: mov %rsi,%r12
0x402c6b: push %rbp
0x402c6c: mov %edi,%ebp
0x402c6e: push %rbx
0x402c6f: sub $0x3a8,%rsp
0x402c76: mov (%rsi),%rdi
現(xiàn)在，如果我們加上調(diào)試信息，GDB能夠把符號名稱和地址配對：
(gdb) $pc
$1 = (void (*)()) 0x402c60
你可以通過 nm -a $file 來獲取ELF二進(jìn)制的符號列表：
nm -a /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug | grep " main"
0000000000402c60 T main
GDB還會(huì)能夠展示堆棧跟蹤信息(稍后會(huì)詳細(xì)說)，但是只有感興趣的那部分：
(gdb) where
#0 write ()
#1 0x0000003d492769e3 in _IO_new_file_write ()
#2 0x0000003d49277e4c in new_do_write ()
#3 _IO_new_do_write ()
#4 0x0000003d49278223 in _IO_new_file_overflow ()
#5 0x00000000004085bb in print_current_files ()
#6 0x000000000040431b in main ()
我們現(xiàn)在有了PC地址和相應(yīng)的函數(shù)，就是這樣。在一個(gè)函數(shù)中，你將需要對著匯編來調(diào)試!
現(xiàn)在讓我們加入調(diào)試信息：就是DWARF規(guī)范下的gcc -g選項(xiàng)。我不是特別熟悉這個(gè)規(guī)范，但我知道它提供的：
地址到代碼行和行到地址的配對
數(shù)據(jù)類型的定義，包括typedef和structure
本地變量和函數(shù)參數(shù)以及它們的類型
$ dwarfdump /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug | grep 402ce4
0x00402ce4 [1289, 0] NS
$ addr2line -e /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug 0x00402ce4
/usr/src/debug/coreutils-8.21/src/ls.c:1289
試一試dwarfdump來查看二進(jìn)制文件里嵌入的信息。addr2line也能用到這些信息：
很多源代碼層的調(diào)試命令會(huì)依賴于這些信息，比如next命令，這會(huì)在下一行的地址設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，那個(gè)print命令會(huì)依賴于變量的類型來輸出(char、int、float，而不是二進(jìn)制或十六進(jìn)制)。
最后總結(jié)
我們已經(jīng)見過調(diào)試器內(nèi)部的好多方面了，所以我只會(huì)最后說幾點(diǎn)：
這個(gè)堆棧跟蹤信息也是通過當(dāng)前的幀是向上“解開(unwinded)”的($sp和$bp/#fp)，每個(gè)堆棧幀處理一次。函數(shù)的名稱和參數(shù)以及本地變量名可以在調(diào)試信息中找到。
監(jiān)視點(diǎn)(<code>watchpoints)是通過處理器的幫助(如果有)實(shí)現(xiàn)的：在寄存器里標(biāo)記哪些地址應(yīng)該被監(jiān)控，然后它會(huì)在那內(nèi)存被讀寫的時(shí)候引發(fā)一個(gè)異常。如果不支持這項(xiàng)功能，或者你請求的斷點(diǎn)超過了處理器所支持的……那么調(diào)試器就會(huì)回到“手動(dòng)”監(jiān)視：一個(gè)指令一個(gè)指令地執(zhí)行這個(gè)程序，并檢查是否當(dāng)前的操作到達(dá)了一個(gè)監(jiān)視點(diǎn)的地址。是的，這很慢!
反向調(diào)試也可以這樣進(jìn)行，記錄每個(gè)操作的效果，并反向執(zhí)行。
條件斷點(diǎn)是正常的斷點(diǎn)，除非在內(nèi)部，調(diào)試器在將控制權(quán)交給用戶前檢查當(dāng)前的情況。如果當(dāng)前的情況不滿足，程序?qū)?huì)默默地繼續(xù)運(yùn)行。
還可以玩gdb gdb，或者更好的(好多了)gdb --pid $(pid of gdb)，因?yàn)榘褍蓚�(gè)調(diào)試器放到同一個(gè)終端里是瘋狂的:-)。還可以調(diào)試系統(tǒng)：
qemu-system-i386 -gdb tcp::1234
gdb --pid $(pidof qemu-system-i386)
gdb /boot/vmlinuz --exec "target remote localhost:1234"
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