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在該系列的***部分，我們寫了一個小的進(jìn)程啟動器，作為我們調(diào)試器的基礎(chǔ)。在這篇博客中，我們會學(xué)習(xí)在 x86 Linux 上斷點(diǎn)是如何工作的，以及如何給我們工具添加設(shè)置斷點(diǎn)的能力。

系列文章索引

隨著后面文章的發(fā)布，這些鏈接會逐漸生效。

• 準(zhǔn)備環(huán)境
• 斷點(diǎn)
• 寄存器和內(nèi)存
• Elves 和 dwarves
• 源碼和信號
• 源碼層逐步執(zhí)行
• 源碼層斷點(diǎn)
• 調(diào)用棧
• 讀取變量 10.之后步驟

斷點(diǎn)是如何形成的?

有兩種類型的斷點(diǎn)：硬件和軟件。硬件斷點(diǎn)通常涉及到設(shè)置與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的寄存器來為你產(chǎn)生斷點(diǎn)，而軟件斷點(diǎn)則涉及到修改正在執(zhí)行的代碼。在這篇文章中我們只會關(guān)注軟件斷點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儽容^簡單，而且可以設(shè)置任意多斷點(diǎn)。在 x86 機(jī)器上任一時刻你最多只能有 4 個硬件斷點(diǎn)，但是它們能讓你在讀取或者寫入給定地址時觸發(fā)，而不是只有當(dāng)代碼執(zhí)行到那里的時候。

我前面說軟件斷點(diǎn)是通過修改正在執(zhí)行的代碼實(shí)現(xiàn)的，那么問題就來了：

• 我們?nèi)绾涡薷拇a?
• 為了設(shè)置斷點(diǎn)我們要做什么修改?
• 如何告知調(diào)試器?

***個問題的答案顯然是 ptrace。我們之前已經(jīng)用它為我們的程序設(shè)置跟蹤并繼續(xù)程序的執(zhí)行，但我們也可以用它來讀或者寫內(nèi)存。

當(dāng)執(zhí)行到斷點(diǎn)時，我們的更改要讓處理器暫停并給程序發(fā)送信號。在 x86 機(jī)器上這是通過 int 3 重寫該地址上的指令實(shí)現(xiàn)的。x86 機(jī)器有個中斷向量表(interrupt vector table)，操作系統(tǒng)能用它來為多種事件注冊處理程序，例如頁故障、保護(hù)故障和無效操作碼。它就像是注冊錯誤處理回調(diào)函數(shù)，但是是在硬件層面的。當(dāng)處理器執(zhí)行 int 3 指令時，控制權(quán)就被傳遞給斷點(diǎn)中斷處理器，對于 Linux 來說，就是給進(jìn)程發(fā)送 SIGTRAP 信號。你可以在下圖中看到這個進(jìn)程，我們用 0xcc 覆蓋了 mov 指令的***個字節(jié)，它是 init 3 的指令代碼。

斷點(diǎn)

謎題的***一個部分是調(diào)試器如何被告知中斷的。如果你回顧前面的文章，我們可以用 waitpid 來監(jiān)聽被發(fā)送給被調(diào)試的程序的信號。這里我們也可以這樣做：設(shè)置斷點(diǎn)、繼續(xù)執(zhí)行程序、調(diào)用 waitpid 并等待直到發(fā)生 SIGTRAP。然后就可以通過打印已運(yùn)行到的源碼位置、或改變有圖形用戶界面的調(diào)試器中關(guān)注的代碼行，將這個斷點(diǎn)傳達(dá)給用戶。

實(shí)現(xiàn)軟件斷點(diǎn)

我們會實(shí)現(xiàn)一個 breakpoint 類來表示某個位置的斷點(diǎn)，我們可以根據(jù)需要啟用或者停用該斷點(diǎn)。

class breakpoint { 
public: 
    breakpoint(pid_t pid, std::intptr_t addr) 
        : m_pid{pid}, m_addr{addr}, m_enabled{false}, m_saved_data{} 
    {} 
    void enable(); 
    void disable(); 
    auto is_enabled() const -> bool { return m_enabled; } 
    auto get_address() const -> std::intptr_t { return m_addr; } 
private: 
    pid_t m_pid; 
    std::intptr_t m_addr; 
    bool m_enabled; 
    uint64_t m_saved_data; //data which used to be at the breakpoint address 
}; 

這里的大部分代碼都是跟蹤狀態(tài);真正神奇的地方是 enable 和 disable 函數(shù)。

正如我們上面學(xué)到的，我們要用 int 3 指令 - 編碼為 0xcc - 替換當(dāng)前指定地址的指令。我們還要保存該地址之前的值，以便后面恢復(fù)該代碼;我們不想忘了執(zhí)行用戶(原來)的代碼。

void breakpoint::enable() { 
    m_saved_data = ptrace(PTRACE_PEEKDATA, m_pid, m_addr, nullptr); 
    uint64_t int3 = 0xcc; 
    uint64_t data_with_int3 = ((m_saved_data & ~0xff) | int3); //set bottom byte to 0xcc 
    ptrace(PTRACE_POKEDATA, m_pid, m_addr, data_with_int3); 
    m_enabled = true; 
} 

PTRACE_PEEKDATA 請求告知 ptrace 如何讀取被跟蹤進(jìn)程的內(nèi)存。我們給它一個進(jìn)程 ID 和一個地址，然后它返回給我們該地址當(dāng)前的 64 位內(nèi)容。 (m_saved_data & ~0xff) 把這個數(shù)據(jù)的低位字節(jié)置零，然后我們用它和我們的 int 3 指令按位或(OR)來設(shè)置斷點(diǎn)。***我們通過 PTRACE_POKEDATA 用我們的新數(shù)據(jù)覆蓋那部分內(nèi)存來設(shè)置斷點(diǎn)。

disable 的實(shí)現(xiàn)比較簡單，我們只需要恢復(fù)用 0xcc 所覆蓋的原始數(shù)據(jù)。

void breakpoint::disable() { 
    ptrace(PTRACE_POKEDATA, m_pid, m_addr, m_saved_data); 
    m_enabled = false; 
} 

在調(diào)試器中增加斷點(diǎn)

為了支持通過用戶界面設(shè)置斷點(diǎn)，我們要在 debugger 類修改三個地方：

1. 給 debugger 添加斷點(diǎn)存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2. 添加 set_breakpoint_at_address 函數(shù)
3. 給我們的 handle_command 函數(shù)添加 break 命令

我會將我的斷點(diǎn)保存到 std::unordered_map<std::intptr_t, breakpoint> 結(jié)構(gòu)，以便能簡單快速地判斷一個給定的地址是否有斷點(diǎn)，如果有的話，取回該 breakpoint 對象。

class debugger { 
    //... 
    void set_breakpoint_at_address(std::intptr_t addr); 
    //... 
private: 
    //... 
    std::unordered_map<std::intptr_t,breakpoint> m_breakpoints; 
} 

在 set_breakpoint_at_address 函數(shù)中我們會新建一個 breakpoint 對象，啟用它，把它添加到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里，并給用戶打印一條信息。如果你喜歡的話，你可以重構(gòu)所有的輸出信息，從而你可以將調(diào)試器作為庫或者命令行工具使用，為了簡便，我把它們都整合到了一起。

void debugger::set_breakpoint_at_address(std::intptr_t addr) { 
    std::cout << "Set breakpoint at address 0x" << std::hex << addr << std::endl; 
    breakpoint bp {m_pid, addr}; 
    bp.enable(); 
    m_breakpoints[addr] = bp; 
} 

現(xiàn)在我們會在我們的命令處理程序中增加對我們新函數(shù)的調(diào)用。

void debugger::handle_command(const std::string& line) { 
    auto args = split(line,' '); 
    auto command = args[0]; 
    if (is_prefix(command, "cont")) { 
        continue_execution(); 
    } 
    else if(is_prefix(command, "break")) { 
        std::string addr {args[1], 2}; //naively assume that the user has written 0xADDRESS 
        set_breakpoint_at_address(std::stol(addr, 0, 16)); 
    } 
    else { 
        std::cerr << "Unknown command\n"; 
    } 
} 

我刪除了字符串中的前兩個字符并對結(jié)果調(diào)用 std::stol，你也可以讓該解析更健壯一些。std::stol 可以將字符串按照所給基數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)。

從斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行

如果你嘗試這樣做，你可能會發(fā)現(xiàn)，如果你從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行，不會發(fā)生任何事情。這是因?yàn)閿帱c(diǎn)仍然在內(nèi)存中，因此一直被重復(fù)***。簡單的解決辦法就是停用這個斷點(diǎn)、運(yùn)行到下一步、再次啟用這個斷點(diǎn)、然后繼續(xù)執(zhí)行。不過我們還需要更改程序計(jì)數(shù)器，指回到斷點(diǎn)前面，這部分內(nèi)容會留到下一篇關(guān)于操作寄存器的文章中介紹。

測試它

當(dāng)然，如果你不知道要在哪個地址設(shè)置，那么在某些地址設(shè)置斷點(diǎn)并非很有用。后面我們會學(xué)習(xí)如何在函數(shù)名或者代碼行設(shè)置斷點(diǎn)，但現(xiàn)在我們可以通過手動實(shí)現(xiàn)。

測試你調(diào)試器的簡單方法是寫一個 hello world 程序，這個程序輸出到 std::err(為了避免緩存)，并在調(diào)用輸出操作符的地方設(shè)置斷點(diǎn)。如果你繼續(xù)執(zhí)行被調(diào)試的程序，執(zhí)行很可能會停止而不會輸出任何東西。然后你可以重啟調(diào)試器并在調(diào)用之后設(shè)置一個斷點(diǎn)，現(xiàn)在你應(yīng)該看到成功地輸出了消息。

查找地址的一個方法是使用 objdump。如果你打開一個終端并執(zhí)行 objdump -d <your program>，然后你應(yīng)該看到你的程序的反匯編代碼。你就可以找到 main 函數(shù)并定位到你想設(shè)置斷點(diǎn)的 call 指令。例如，我編譯了一個 hello world 程序，反匯編它，然后得到了如下的 main 的反匯編代碼：

0000000000400936 <main>: 
  400936:   55                      push   %rbp 
  400937:   48 89 e5                mov    %rsp,%rbp 
  40093a:   be 35 0a 40 00          mov    $0x400a35,%esi 
  40093f:   bf 60 10 60 00          mov    $0x601060,%edi 
  400944:   e8 d7 fe ff ff          callq  400820 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt> 
  400949:   b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax 
  40094e:   5d                      pop    %rbp 
  40094f:   c3                      retq 

正如你看到的，要沒有輸出，我們要在 0x400944 設(shè)置斷點(diǎn)，要看到輸出，要在 0x400949 設(shè)置斷點(diǎn)。

總結(jié)

現(xiàn)在你應(yīng)該有了一個可以啟動程序、允許在內(nèi)存地址上設(shè)置斷點(diǎn)的調(diào)試器。后面我們會添加讀寫內(nèi)存和寄存器的功能。再次說明，如果你有任何問題請?jiān)谠u論框中告訴我。

你可以在這里 找到該項(xiàng)目的代碼。