C语言调试器是如何工作的

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C语言调试器是如何工作的

　　当你用GDB 的时候，可以看到它完全控制了应用程序进程。当你在程序运行的时候用 Ctrl + C，程序的运行就能够终止，而GDB能展示它的当前地址、堆栈跟踪信息之类的内容。你知道C语言调试器是如何工作的吗?下面是小编为大家带来的关于C语言调试器是如何工作的的知识，欢迎阅读。

　　但是它们怎么不工作呢?

　　开始，让我们先研究它怎样才会不工作。它不能通过阅读和分析程序的二进制信息来模拟程序的运行。它其实能做，而那应该能起作用(Valgrind 内存调试器就是这样工作的)，但是这样的话会很慢。Valgrind会让程序慢1000倍，但是GDB不会。它的工作机制与Qemu虚拟机一样。

　　所以到底是怎么回事?黑魔法?……不，如果那样的话就太简单了。

　　另一种猜想?……?破解!是的，这里正是这样的。操作系统内核也提供了一些帮助。

　　首先，关于Linux的进程机制需要了解一件事：父进程可以获得子进程的附加信息，也能够ptrace它们。并且你可以猜到的是，调试器是被调试的进程的父进程(或者它会变成父进程，在Linux中进程可以将一个进程变为自己子进程:-))

　　Linux Ptrace API

　　Linux Ptrace API 允许一个(调试器)进程来获取低等级的其他(被调试的)进程的信息。特别的，这个调试器可以：

　　读写被调试进程的内存：PTRACE_PEEKTEXT、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_POKE……

　　读写被调试进程的CPU寄存器 PTRACE_GETREGSET、PTRACE_SETREGS

　　因系统活动而被提醒：PTRACE_O_TRACEEXEC, PTRACE_O_TRACECLONE, PTRACE_O_EXITKILL, PTRACE_SYSCALL(你可以通过这些标识区分exec syscall、clone、exit以及其他系统调用)

　　控制它的执行：PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_KILL、PTRACE_INTERRUPT、PTRACE_CONT (注意，CPU在这里是单步执行)

　　修改它的信号处理：PTRACE_GETSIGINFO、PTRACE_SETSIGINFO

　　Ptrace是如何实现的?

　　Ptrace的实现不在本文讨论的范围内，所以我不想进一步讨论，只是简单地解释它是如何工作的(我不是内核专家，如果我说错了请一定指出来，并原谅我过分简化:-))

　　Ptrace 是Linux内核的一部分，所以它能够获取进程所有内核级信息：

　　读写数据?Linux有copy_to/from_user。

　　获取CPU寄存器?用copy_regset_to/from_user很轻松(这里没有什么复杂的，因为CPU寄存器在进程未被调度时保存在Linux的struct task_struct *调度结构中)。

　　修改信号处理?更新域last_siginfo

　　单步执行?在处理器出发执行前，设置进程task结构的right flag(ARM、x86)

　　Ptrace是在很多计划的操作中被Hooked(搜索 ptrace_event函数)，所以它可以在被询问时(PTRACE_O_TRACEEXEC选项和与它相关的)，向调试器发出一个SIGTRAP信号。

　　没有Ptrace的系统会怎么样呢?

　　这个解释超出了特定的Linux本地调试，但是对于大部分其他环境是合理的。要了解GDB在不同目标平台请求的内容，你可以看一下它在目标栈里面的操作。

　　在这个目标接口里，你可以看到所有C调试需要的高级操作：

　　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调用这些函数，然后目标相关的组件再实现它们。(概念上)这是一个栈，或者一个金字塔：栈顶的是非常通用的，比如：

　　系统特定的Linux

　　本地或远程调试

　　调试方式特定的(ptrace、ttrace)

　　指令集特定的(Linux ARM、Linux x86)

　　那个远程目标很有趣，因为它通过一个连接协议(TCP/IP、串行端口)把两台“电脑”间的执行栈分离开来。

　　那个远程的部分可以是运行在另一台Linux机器上的gdbserver。但是它也可以是一个硬件调试端口的界面(JTAG) 或者一个虚拟的机器管理程序(比如 Qemu)，并能够代替内核和ptrace的功能。那个远程根调试器会查询管理程序的结构，或者直接地查询处理器硬件寄存器来代替对OS内核结构的查询。

　　想要深层次学习这个远程协议，Embecosm 写了一篇一个关于不同信息的详细指南。Gdbserver的事件处理循环在这，而也可以在这里找到Qemu gdb-server stub 。

　　总结一下

　　我们能看到ptrace的API提供了这里所有底层机制被要求实现的调试器：

　　获取exec系统调用并从调用的地方阻止它执行

　　查询CPU的寄存器来获得处理器当前指令以及栈的地址

　　获取clone或fork事件来检测新线程

　　查看并改变数据地址读取并改变内存的变量

　　但是这就是一个调试器的全部工作吗?不，这只是那些非常低级的部分……它还会处理符号。这是，链接源程序和二进制文件。被忽视可能也是最重要的的一件事：断点!我会首先解释一下断点是如何工作的，因为这部分内容非常有趣且需要技巧，然后回到符号处理。

　　断点不是Ptrace API的一部分

　　就像我们之前看到的那样，断点不是ptrace API的一部分。但是我们可以改动内存并获取被调试的程序信号。你看不到其中的相关之处?这是因为断点的实现比较需要技巧并且还要一点hack!让我们来检验一下如何在一个指定的地址设置一个断点。

　　1、这个调试器读取(ptrace追踪)存在地址里的二进制指令，并保存在它自己的数据结构中。

　　2、它在这个位置写入一个不合法的指令。不管这个指令是啥，只要它是不合法的。

　　3、当被调试的程序运行到这个不合法的指令时(或者更准确地说，处理器将内存中的内容设置好时)它不会继续运行(因为它是不合法的)。

　　4、在现代多任务系统中，一个不合法的指令不会使整个系统崩溃掉，但是会通过引发一个中断(或错误)把控制权交回给系统内核。

　　5、这个中断被Linux翻译成一个SIGTRAP信号，然后被发送到处理器……或者发给它的父进程，就像调试器希望的那样。

　　6、调试器获得信号并查看被调试的程序指令指针的值(换言之，是陷入 trap发生的地方)。如果这个IP地址是在断点列表中，那么就是一个调试器的断点(否则就是一个进程中的错误，只需要传过信号并让它崩溃)。

　　7、现在，那个被调试的程序已经停在了断点，调试器可以让用户来做任何他/她想要做的事，等待时机合适继续执行。

　　8、为了要继续执行，这个调试器需要 1、写入正确的指令来回到被调试的程序的内存; 2、单步执行(继续执行单个CPU指令，伴随着ptrace 单步执行); 3、把非法指令写回去(使得这个执行过程下一次可以再次停止) ;4、让这个执行正常运行

　　很整洁，是不是?作为一个旁观的评论，你可以注意到，如果不是所有线程同时停止的话这个算法是不会工作的(因为运行的线程可能会在合法的指令出现时传出断点)。我不会详细讨论GDB是如何解决这个问题的，但在这篇论文里已经说得很详细了：使用GDB不间断调试多线程程序。简要地说，他们把指令写到内存中的其他地方，然后把那个指令的指针指向那个地址并单步执行处理器。但是问题在于一些指令是和地址相关的，比如跳转和条件跳转……

　　处理符号和调试信息

　　现在，让我们回到信号和调试信息处理。我没有详细地学习这部分，所以只是大体地说一说。

　　首先，我们是否可以不使用调试信息和信号地址来调试呢?答案是可以。因为正如我们看到过的那样，所有的低级指令是对CPU寄存器和内存地址来操作的，不是源程序层面的信息。因此，这个到源程序的链接只是为了方便用户。没有调试信息的时候，你看程序的方式就像是处理器(和内核)看到的一样：二进制(汇编)指令和内存字节。GDB不需要进一步的信息来把二进制信息翻译成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

　　现在，如果我们加上调试信息，GDB能够把符号名称和地址配对：

　　(gdb) $pc

　　$1 = (void (*)()) 0x402c60

　　你可以通过 nm -a $file 来获取ELF二进制的符号列表：

　　nm -a /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug | grep " main"

　　0000000000402c60 T main

　　GDB还会能够展示堆栈跟踪信息(稍后会详细说)，但是只有感兴趣的那部分：

　　(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 ()

　　我们现在有了PC地址和相应的函数，就是这样。在一个函数中，你将需要对着汇编来调试!

　　现在让我们加入调试信息：就是DWARF规范下的gcc -g选项。我不是特别熟悉这个规范，但我知道它提供的：

　　地址到代码行和行到地址的配对

　　数据类型的定义，包括typedef和structure

　　本地变量和函数参数以及它们的类型

　　$ 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

　　试一试dwarfdump来查看二进制文件里嵌入的信息。addr2line也能用到这些信息：

　　很多源代码层的调试命令会依赖于这些信息，比如next命令，这会在下一行的地址设置一个断点，那个print命令会依赖于变量的类型来输出(char、int、float，而不是二进制或十六进制)。

　　最后总结

　　我们已经见过调试器内部的好多方面了，所以我只会最后说几点：

　　这个堆栈跟踪信息也是通过当前的帧是向上“解开(unwinded)”的($sp和$bp/#fp)，每个堆栈帧处理一次。函数的名称和参数以及本地变量名可以在调试信息中找到。

　　监视点(&lt;code&gt;watchpoints)是通过处理器的帮助(如果有)实现的：在寄存器里标记哪些地址应该被监控，然后它会在那内存被读写的时候引发一个异常。如果不支持这项功能，或者你请求的断点超过了处理器所支持的……那么调试器就会回到“手动”监视：一个指令一个指令地执行这个程序，并检查是否当前的操作到达了一个监视点的地址。是的，这很慢!

　　反向调试也可以这样进行，记录每个操作的效果，并反向执行。

　　条件断点是正常的断点，除非在内部，调试器在将控制权交给用户前检查当前的情况。如果当前的情况不满足，程序将会默默地继续运行。

　　还可以玩gdb gdb，或者更好的(好多了)gdb --pid $(pid of gdb)，因为把两个调试器放到同一个终端里是疯狂的:-)。还可以调试系统：

　　qemu-system-i386 -gdb tcp::1234

　　gdb --pid $(pidof qemu-system-i386)

　　gdb /boot/vmlinuz --exec "target remote localhost:1234"

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