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開發(fā)一個Linux調(diào)試器（七）：源碼級斷點

作者：佚名
系統(tǒng) Linux
這篇文章將會添加源碼級斷點到我們的調(diào)試器中。通過所有我們已經(jīng)支持的功能，這要比起最初聽起來容易得多。我們還將添加一個命令來獲取符號的類型和地址，這對于定位代碼或數(shù)據(jù)以及理解鏈接概念非常有用。

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在內(nèi)存地址上設(shè)置斷點雖然不錯，但它并沒有提供最方便用戶的工具。我們希望能夠在源代碼行和函數(shù)入口地址上設(shè)置斷點，以便我們可以在與代碼相同的抽象級別中進行調(diào)試。

這篇文章將會添加源碼級斷點到我們的調(diào)試器中。通過所有我們已經(jīng)支持的功能，這要比起最初聽起來容易得多。我們還將添加一個命令來獲取符號的類型和地址，這對于定位代碼或數(shù)據(jù)以及理解鏈接概念非常有用。

系列索引

隨著后面文章的發(fā)布，這些鏈接會逐漸生效。

  1. 準備環(huán)境
  2. 斷點
  3. 寄存器和內(nèi)存
  4. Elves 和 dwarves
  5. 源碼和信號
  6. 源碼級逐步執(zhí)行
  7. 源碼級斷點
  8. 調(diào)用棧
  9. 讀取變量
  10. 之后步驟

斷點

DWARF

Elves 和 dwarves 這篇文章，描述了 DWARF 調(diào)試信息是如何工作的，以及如何用它來將機器碼映射到高層源碼中?；叵胍幌拢珼WARF 包含了函數(shù)的地址范圍和一個允許你在抽象層之間轉(zhuǎn)換代碼位置的行表。我們將使用這些功能來實現(xiàn)我們的斷點。

函數(shù)入口

如果你考慮重載、成員函數(shù)等等，那么在函數(shù)名上設(shè)置斷點可能有點復(fù)雜，但是我們將遍歷所有的編譯單元，并搜索與我們正在尋找的名稱匹配的函數(shù)。DWARF 信息如下所示：

  1. < 0><0x0000000b>  DW_TAG_compile_unit 
  2.                     DW_AT_producer              clang version 3.9.1 (tags/RELEASE_391/final) 
  3.                     DW_AT_language              DW_LANG_C_plus_plus 
  4.                     DW_AT_name                  /super/secret/path/MiniDbg/examples/variable.cpp 
  5.                     DW_AT_stmt_list             0x00000000 
  6.                     DW_AT_comp_dir              /super/secret/path/MiniDbg/build 
  7.                     DW_AT_low_pc                0x00400670 
  8.                     DW_AT_high_pc               0x0040069c 
  9. LOCAL_SYMBOLS: 
  10. < 1><0x0000002e>    DW_TAG_subprogram 
  11.                       DW_AT_low_pc                0x00400670 
  12.                       DW_AT_high_pc               0x0040069c 
  13.                       DW_AT_name                  foo 
  14.                       ... 
  15. ... 
  16. <14><0x000000b0>    DW_TAG_subprogram 
  17.                       DW_AT_low_pc                0x00400700 
  18.                       DW_AT_high_pc               0x004007a0 
  19.                       DW_AT_name                  bar 
  20.                       ... 

我們想要匹配 DW_AT_name 并使用 DW_AT_low_pc(函數(shù)的起始地址)來設(shè)置我們的斷點。

  1. void debugger::set_breakpoint_at_function(const std::string& name) { 
  2.     for (const auto& cu : m_dwarf.compilation_units()) { 
  3.         for (const auto& die : cu.root()) { 
  4.             if (die.has(dwarf::DW_AT::name) && at_name(die) == name) { 
  5.                 auto low_pc = at_low_pc(die); 
  6.                 auto entry = get_line_entry_from_pc(low_pc); 
  7.                 ++entry; //skip prologue 
  8.                 set_breakpoint_at_address(entry->address); 
  9.             } 
  10.         } 
  11.     } 
  12. } 

這代碼看起來有點奇怪的唯一一點是 ++entry。 問題是函數(shù)的 DW_AT_low_pc 不指向該函數(shù)的用戶代碼的起始地址，它指向 prologue 的開始。編譯器通常會輸出一個函數(shù)的 prologue 和 epilogue，它們用于執(zhí)行保存和恢復(fù)堆棧、操作堆棧指針等。這對我們來說不是很有用，所以我們將入口行加一來獲取用戶代碼的***行而不是 prologue。DWARF 行表實際上具有一些功能，用于將入口標記為函數(shù) prologue 之后的***行，但并不是所有編譯器都輸出它，因此我采用了原始的方法。

源碼行

要在高層源碼行上設(shè)置一個斷點，我們要將這個行號轉(zhuǎn)換成 DWARF 中的一個地址。我們將遍歷編譯單元，尋找一個名稱與給定文件匹配的編譯單元，然后查找與給定行對應(yīng)的入口。

DWARF 看上去有點像這樣：

  1. .debug_line: line number info for a single cu 
  2. Source lines (from CU-DIE at .debug_info offset 0x0000000b): 
  3. NS new statement, BB new basic block, ET end of text sequence 
  4. PE prologue end, EB epilogue begin 
  5. IS=val ISA number, DI=val discriminator value 
  6. <pc>        [lno,col] NS BB ET PE EB IS= DI= uri: "filepath" 
  7. 0x004004a7  [   1, 0] NS uri: "/super/secret/path/a.hpp" 
  8. 0x004004ab  [   2, 0] NS 
  9. 0x004004b2  [   3, 0] NS 
  10. 0x004004b9  [   4, 0] NS 
  11. 0x004004c1  [   5, 0] NS 
  12. 0x004004c3  [   1, 0] NS uri: "/super/secret/path/b.hpp" 
  13. 0x004004c7  [   2, 0] NS 
  14. 0x004004ce  [   3, 0] NS 
  15. 0x004004d5  [   4, 0] NS 
  16. 0x004004dd  [   5, 0] NS 
  17. 0x004004df  [   4, 0] NS uri: "/super/secret/path/ab.cpp" 
  18. 0x004004e3  [   5, 0] NS 
  19. 0x004004e8  [   6, 0] NS 
  20. 0x004004ed  [   7, 0] NS 
  21. 0x004004f4  [   7, 0] NS ET 

所以如果我們想要在 ab.cpp 的第五行設(shè)置一個斷點，我們將查找與行 (0x004004e3) 相關(guān)的入口并設(shè)置一個斷點。

  1. void debugger::set_breakpoint_at_source_line(const std::string& file, unsigned line) { 
  2.     for (const auto& cu : m_dwarf.compilation_units()) { 
  3.         if (is_suffix(file, at_name(cu.root()))) { 
  4.             const auto& lt = cu.get_line_table(); 
  5.             for (const auto& entry : lt) { 
  6.                 if (entry.is_stmt && entry.line == line) { 
  7.                     set_breakpoint_at_address(entry.address); 
  8.                     return; 
  9.                 } 
  10.             } 
  11.         } 
  12.     } 
  13. } 

我這里做了 is_suffix hack，這樣你可以輸入 c.cpp 代表 a/b/c.cpp 。當(dāng)然你實際上應(yīng)該使用大小寫敏感路徑處理庫或者其它東西，但是我比較懶。entry.is_stmt 是檢查行表入口是否被標記為一個語句的開頭，這是由編譯器根據(jù)它認為是斷點的***目標的地址設(shè)置的。

符號查找

當(dāng)我們在對象文件層時，符號是王者。函數(shù)用符號命名，全局變量用符號命名，你得到一個符號，我們得到一個符號，每個人都得到一個符號。 在給定的對象文件中，一些符號可能引用其他對象文件或共享庫，鏈接器將從符號引用創(chuàng)建一個可執(zhí)行程序。

可以在正確命名的符號表中查找符號，它存儲在二進制文件的 ELF 部分中。幸運的是，libelfin 有一個不錯的接口來做這件事，所以我們不需要自己處理所有的 ELF 的事情。為了讓你知道我們在處理什么，下面是一個二進制文件的 .symtab 部分的轉(zhuǎn)儲，它由 readelf 生成：

  1. Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name 
  2.  0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
  3.  1: 0000000000400238     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
  4.  2: 0000000000400254     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    2 
  5.  3: 0000000000400278     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
  6.  4: 00000000004002c8     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
  7.  5: 0000000000400430     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
  8.  6: 00000000004004e4     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
  9.  7: 0000000000400508     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
  10.  8: 0000000000400528     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
  11.  9: 0000000000400558     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    9 
  12. 10: 0000000000400570     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   10 
  13. 11: 0000000000400714     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   11 
  14. 12: 0000000000400720     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   12 
  15. 13: 0000000000400724     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   13 
  16. 14: 0000000000400750     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   14 
  17. 15: 0000000000600e18     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   15 
  18. 16: 0000000000600e20     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   16 
  19. 17: 0000000000600e28     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   17 
  20. 18: 0000000000600e30     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   18 
  21. 19: 0000000000600ff0     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   19 
  22. 20: 0000000000601000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   20 
  23. 21: 0000000000601018     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   21 
  24. 22: 0000000000601028     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   22 
  25. 23: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   23 
  26. 24: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   24 
  27. 25: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   25 
  28. 26: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   26 
  29. 27: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   27 
  30. 28: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   28 
  31. 29: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   29 
  32. 30: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   30 
  33. 31: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS init.c 
  34. 32: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS crtstuff.c 
  35. 33: 0000000000600e28     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   17 __JCR_LIST__ 
  36. 34: 00000000004005a0     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   10 deregister_tm_clones 
  37. 35: 00000000004005e0     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   10 register_tm_clones 
  38. 36: 0000000000400620     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   10 __do_global_dtors_aux 
  39. 37: 0000000000601028     1 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   22 completed.6917 
  40. 38: 0000000000600e20     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   16 __do_global_dtors_aux_fin 
  41. 39: 0000000000400640     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   10 frame_dummy 
  42. 40: 0000000000600e18     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   15 __frame_dummy_init_array_ 
  43. 41: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS /super/secret/path/MiniDbg/ 
  44. 42: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS crtstuff.c 
  45. 43: 0000000000400818     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   14 __FRAME_END__ 
  46. 44: 0000000000600e28     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   17 __JCR_END__ 
  47. 45: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS 
  48. 46: 0000000000400724     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   13 __GNU_EH_FRAME_HDR 
  49. 47: 0000000000601000     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   20 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 
  50. 48: 0000000000601028     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   21 __TMC_END__ 
  51. 49: 0000000000601020     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   21 __dso_handle 
  52. 50: 0000000000600e20     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   15 __init_array_end 
  53. 51: 0000000000600e18     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   15 __init_array_start 
  54. 52: 0000000000600e30     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   18 _DYNAMIC 
  55. 53: 0000000000601018     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT   21 data_start 
  56. 54: 0000000000400710     2 FUNC    GLOBAL DEFAULT   10 __libc_csu_fini 
  57. 55: 0000000000400570    43 FUNC    GLOBAL DEFAULT   10 _start 
  58. 56: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__ 
  59. 57: 0000000000400714     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   11 _fini 
  60. 58: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@@GLIBC_ 
  61. 59: 0000000000400720     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   12 _IO_stdin_used 
  62. 60: 0000000000601018     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   21 __data_start 
  63. 61: 00000000004006a0   101 FUNC    GLOBAL DEFAULT   10 __libc_csu_init 
  64. 62: 0000000000601028     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   22 __bss_start 
  65. 63: 0000000000601030     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   22 _end 
  66. 64: 0000000000601028     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   21 _edata 
  67. 65: 0000000000400670    44 FUNC    GLOBAL DEFAULT   10 main 
  68. 66: 0000000000400558     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT    9 _init 

你可以在對象文件中看到用于設(shè)置環(huán)境的很多符號，***還可以看到 main 符號。

我們對符號的類型、名稱和值(地址)感興趣。我們有一個該類型的 symbol_type 枚舉，并使用一個 std::string 作為名稱，std::uintptr_t 作為地址：

  1. enum class symbol_type { 
  2.     notype,            // No type (e.g., absolute symbol) 
  3.     object,            // Data object 
  4.     func,              // Function entry point 
  5.     section,           // Symbol is associated with a section 
  6.     file,              // Source file associated with the 
  7. };                     // object file 
  8. std::string to_string (symbol_type st) { 
  9.     switch (st) { 
  10.     case symbol_type::notype: return "notype"; 
  11.     case symbol_type::object: return "object"; 
  12.     case symbol_type::func: return "func"; 
  13.     case symbol_type::section: return "section"; 
  14.     case symbol_type::file: return "file"; 
  15.     } 
  16. } 
  17. struct symbol { 
  18.     symbol_type type; 
  19.     std::string name; 
  20.     std::uintptr_t addr; 
  21. }; 

我們需要將從 libelfin 獲得的符號類型映射到我們的枚舉，因為我們不希望依賴關(guān)系破環(huán)這個接口。幸運的是，我為所有的東西選了同樣的名字，所以這樣很簡單：

  1. symbol_type to_symbol_type(elf::stt sym) { 
  2.     switch (sym) { 
  3.     case elf::stt::notype: return symbol_type::notype; 
  4.     case elf::stt::object: return symbol_type::object; 
  5.     case elf::stt::func: return symbol_type::func; 
  6.     case elf::stt::section: return symbol_type::section; 
  7.     case elf::stt::file: return symbol_type::file; 
  8.     default: return symbol_type::notype; 
  9.     } 
  10. }; 

***我們要查找符號。為了說明的目的，我循環(huán)查找符號表的 ELF 部分，然后收集我在其中找到的任意符號到 std::vector 中。更智能的實現(xiàn)可以建立從名稱到符號的映射，這樣你只需要查看一次數(shù)據(jù)就行了。

  1. std::vector<symbol> debugger::lookup_symbol(const std::string& name) { 
  2.     std::vector<symbol> syms; 
  3.     for (auto &sec : m_elf.sections()) { 
  4.         if (sec.get_hdr().type != elf::sht::symtab && sec.get_hdr().type != elf::sht::dynsym) 
  5.             continue; 
  6.         for (auto sym : sec.as_symtab()) { 
  7.             if (sym.get_name() == name) { 
  8.                 auto &d = sym.get_data(); 
  9.                 syms.push_back(symbol{to_symbol_type(d.type()), sym.get_name(), d.value}); 
  10.             } 
  11.         } 
  12.     } 
  13.     return syms; 
  14. } 

添加命令

一如往常，我們需要添加一些更多的命令來向用戶暴露功能。對于斷點，我使用 GDB 風(fēng)格的接口，其中斷點類型是通過你傳遞的參數(shù)推斷的，而不用要求顯式切換：

  • 0x<hexadecimal> -> 斷點地址
  • <line>:<filename> -> 斷點行號
  • <anything else> -> 斷點函數(shù)名
  1. else if(is_prefix(command, "break")) { 
  2.     if (args[1][0] == '0' && args[1][1] == 'x') { 
  3.         std::string addr {args[1], 2}; 
  4.         set_breakpoint_at_address(std::stol(addr, 0, 16)); 
  5.     } 
  6.     else if (args[1].find(':') != std::string::npos) { 
  7.         auto file_and_line = split(args[1], ':'); 
  8.         set_breakpoint_at_source_line(file_and_line[0], std::stoi(file_and_line[1])); 
  9.     } 
  10.     else { 
  11.         set_breakpoint_at_function(args[1]); 
  12.     } 
  13. } 

對于符號，我們將查找符號并打印出我們發(fā)現(xiàn)的任何匹配項：

  1. else if(is_prefix(command, "symbol")) { 
  2.     auto syms = lookup_symbol(args[1]); 
  3.     for (auto&& s : syms) { 
  4.         std::cout << s.name << ' ' << to_string(s.type) << " 0x" << std::hex << s.addr << std::endl; 
  5.     } 
  6. } 

測試一下

在一個簡單的二進制文件上啟動調(diào)試器，并設(shè)置源代碼級別的斷點。在一些 foo 函數(shù)上設(shè)置一個斷點，看到我的調(diào)試器停在它上面是我這個項目最有價值的時刻之一。

符號查找可以通過在程序中添加一些函數(shù)或全局變量并查找它們的名稱來進行測試。請注意，如果你正在編譯 C++ 代碼，你還需要考慮名稱重整。

本文就這些了。下一次我將展示如何向調(diào)試器添加堆棧展開支持。

你可以在這里找到這篇文章的代碼。 

責(zé)任編輯：龐桂玉 來源： Linux中國
Linux調(diào)試器源碼級斷點
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