1.C语言调试的源码作用C语言调试器是如何工作的

C语言调试的作用C语言调试器是如何工作的

       C语言调试的作用，C语言调试器是源码如何工作的很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！源码

       C语言调试器是源码如何工作的

       当你用GDB 的时候，可以看到它完全控制了应用程序进程。源码当你在程序运行的源码副食 源码时候用 Ctrl + C，程序的源码运行就能够终止，而GDB能展示它的源码当前地址、堆栈跟踪信息之类的源码内容。你知道C语言调试器是源码如何工作的吗?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。源码

       但是源码它们怎么不工作呢?

       开始，让我们先研究它怎样才会不工作。源码它不能通过阅读和分析程序的源码二进制信息来模拟程序的运行。它其实能做，源码而那应该能起作用(Valgrind 内存调试器就是这样工作的)，但是这样的话会很慢。Valgrind会让程序慢倍，但是GDB不会。它的yolo搬砖源码工作机制与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、文件代售平台源码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、x)

       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单机卡牌源码内容，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 x)

       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scrapy获取不到源码事件处理循环在这，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/x $pc # heXadecimal representation

       0xc: 0x 0x 0xf 0xfd

       0xc: 0xa8ec 0x8b 0x8be 0x

       0xc: 0x 0x

       (gdb) x/i $pc # Instruction representation

       => 0xc: push %r

       0xc: push %r

       0xc: push %r

       0xc: push %r

       0xc: mov %rsi,%r

       0xc6b: push %rbp

       0xc6c: mov %edi,%ebp

       0xc6e: push %rbx

       0xc6f: sub $0x3a8,%rsp

       0xc: 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 (*)()) 0xc

       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"

       c 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 0xde3 in _IO_new_file_write ()

       #2 0xde4c in new_do_write ()

       #3 _IO_new_do_write ()

       #4 0xd in _IO_new_file_overflow ()

       #5 0xbb in print_current_files ()

       #6 0xb 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 ce4

       0xce4 [, 0] NS

       $ addr2line -e /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug 0xce4

       /usr/src/debug/coreutils-8./src/ls.c:

       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(<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：

       qemu-system-i -gdb tcp::

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

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