C 語言偵錯程式是如何工作的？

當你用 gdb 的時候，可以看到它完全控制了應用程式程序。當你在程式執行的時候用ctrl + c，程式的執行就能夠終止，而gdb能展示它的當前位址、堆疊跟蹤資訊之類的內容。

但是它是怎麼辦到的呢？

開始，讓我們先研究它怎樣才會不工作。它不能通過閱讀和分析程式的二進位制資訊來模擬程式的執行。它其實能做，而那應該能起作用（valgrind記憶體偵錯程式就是這樣工作的），但是這樣的話會很慢。valgrind會讓程式慢1000倍，但是gdb不會。它的工作機制與qemu虛擬機器一樣。

所以到底是怎麼回事？黑魔法？……不，如果那樣的話就太簡單了。

另一種猜想？……？破解！是的，這裡正是這樣的。作業系統核心也提供了一些幫助。

首先，關於linux的程序機制需要了解一件事：父程序可以獲得子程序的附加資訊，也能夠ptrace它們。並且你可以猜到的是，偵錯程式是被除錯的程序的父程序（或者它會變成父程序，在linux中程序可以將乙個程序變為自己子程序:-)）

linux ptrace api 允許乙個（偵錯程式）程序來獲取低等級的其他（被除錯的）程序的資訊。特別的，這個偵錯程式可以：

ptrace的實現不在本文討論的範圍內，所以我不想進一步討論，只是簡單地解釋它是如何工作的（我不是核心專家，如果我說錯了請一定指出來，並原諒我過分簡化:-)）

ptrace 是linux核心的一部分，所以它能夠獲取程序所有核心級資訊：

這個解釋超出了特定的linux本地除錯，但是對於大部分其他環境是合理的。要了解gdb在不同目標平台請求的內容，你可以看一下它在目標棧裡面的操作。

在這個目標介面裡，你可以看到所有c除錯需要的高階操作：

structtarget_ops

普通的gdb呼叫這些函式，然後目標相關的元件再實現它們。（概念上）這是乙個棧，或者乙個金字塔：棧頂的是非常通用的，比如：

那個遠端目標很有趣，因為它通過乙個連線協議（tcp/ip、串列埠）把兩台「電腦」間的執行棧分離開來。

那個遠端的部分可以是執行在另一台linux機器上的gdbserver。但是它也可以是乙個硬體除錯埠的介面（jtag）或者乙個虛擬的機器管理程式（比如 qemu），並能夠代替核心和ptrace的功能。那個遠端根偵錯程式會查詢管理程式的結構，或者直接地查詢處理器硬體暫存器來代替對os核心結構的查詢。

我們能看到ptrace的api提供了這裡所有底層機制被要求實現的偵錯程式：

但是這就是乙個偵錯程式的全部工作嗎？不，這只是那些非常低階的部分……它還會處理符號。這是，鏈結源程式和二進位制檔案。被忽視可能也是最重要的的一件事：斷點！我會首先解釋一下斷點是如何工作的，因為這部分內容非常有趣且需要技巧，然後回到符號處理。

就像我們之前看到的那樣，斷點不是ptraceapi的一部分。但是我們可以改動記憶體並獲取被除錯的程式訊號。你看不到其中的相關之處？這是因為斷點的實現比較需要技巧並且還要一點hack！讓我們來檢驗一下如何在乙個指定的位址設定乙個斷點。

1、這個偵錯程式讀取（ptrace追蹤）存在位址裡的二進位制指令，並儲存在它自己的資料結構中。

2、它在這個位置寫入乙個不合法的指令。不管這個指令是啥，只要它是不合法的。

3、當被除錯的程式執行到這個不合法的指令時（或者更準確地說，處理器將記憶體中的內容設定好時）它不會繼續執行（因為它是不合法的）。

4、在現代多工系統中，乙個不合法的指令不會使整個系統崩潰掉，但是會通過引發乙個中斷（或錯誤）把控制權交回給系統核心。

5、這個中斷被linux翻譯成乙個sigtrap訊號，然後被傳送到處理器……或者發給它的父程序，就像偵錯程式希望的那樣。

6、偵錯程式獲得訊號並檢視被除錯的程式指令指標的值（換言之，是陷入 trap發生的地方）。如果這個ip位址是在斷點列表中，那麼就是乙個偵錯程式的斷點（否則就是乙個程序中的錯誤，只需要傳過訊號並讓它崩潰）。

7、現在，那個被除錯的程式已經停在了斷點，偵錯程式可以讓使用者來做任何他/她想要做的事，等待時機合適繼續執行。

8、為了要繼續執行，這個偵錯程式需要 1、寫入正確的指令來回到被除錯的程式的記憶體； 2、單步執行（繼續執行單個cpu指令，伴隨著ptrace 單步執行）； 3、把非法指令寫回去（使得這個執行過程下一次可以再次停止）；4、讓這個執行正常執行

現在，讓我們回到訊號和除錯資訊處理。我沒有詳細地學習這部分，所以只是大體地說一說。

首先，我們是否可以不使用除錯資訊和訊號位址來除錯呢？答案是可以。因為正如我們看到過的那樣，所有的低階指令是對cpu暫存器和記憶體位址來操作的，不是源程式層面的資訊。因此，這個到源程式的鏈結只是為了方便使用者。沒有除錯資訊的時候，你看程式的方式就像是處理器（和核心）看到的一樣：二進位制（彙編）指令和記憶體位元組。gdb不需要進一步的資訊來把二進位制資訊翻譯成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

現在，如果我們加上除錯資訊，gdb能夠把符號名稱和位址配對：

(gdb) $pc
$1 = (void (*)()) 0x402c60

你可以通過nm -a $file來獲取elf二進位制的符號列表：

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

0000000000402c60 t main

gdb還會能夠展示堆疊跟蹤資訊（稍後會詳細說），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 ()

我們現在有了pc位址和相應的函式，就是這樣。在乙個函式中，你將需要對著彙編來除錯！

現在讓我們加入除錯資訊：就是dwarf規範下的gcc -g選項。我不是特別熟悉這個規範，但我知道它提供的：

$ 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來檢視二進位制檔案裡嵌入的資訊。addr2line也能用到這些資訊：

很多源**層的除錯命令會依賴於這些資訊，比如next命令，這會在下一行的位址設定乙個斷點，那個print命令會依賴於變數的型別來輸出（char、int、float，而不是二進位制或十六進製制）。

我們已經見過偵錯程式內部的好多方面了，所以我只會最後說幾點：

還可以玩gdb gdb，或者更好的（好多了）gdb --pid $(pid of gdb)，因為把兩個偵錯程式放到同乙個終端裡是瘋狂的:-)。還可以除錯系統：

qemu-system-i386 -gdb tcp::1234

gdb --pid $(pidof qemu-system-i386)

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

但我會在另一篇文章裡提到！

C 語言偵錯程式是如何工作的？

Linux下C語言的偵錯程式 Gdb

python的偵錯程式 Python 偵錯程式入門

偵錯程式的原理

C 語言偵錯程式是如何工作的？

Linux下C語言的偵錯程式 Gdb

python的偵錯程式 Python 偵錯程式入門

偵錯程式的原理

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