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。

但是它是怎么办到的呢?

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_PEEKTEXTPTRACE_PEEKUSERPTRACE_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_SINGLESTEPPTRACE_KILLPTRACE_INTERRUPTPTRACE_CONT (注意,CPU在这里是单步执行)
  • 修改它的信号处理PTRACE_GETSIGINFOPTRACE_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:

  • 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(ARMx86
  • 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:

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:

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,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:

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:

你可以通过 nm -a $file 来获取ELF二进制的符号列表:

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:

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

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(charintfloat,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($sp$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(<code>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:

但我会在另一篇文章里提到!

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