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開發一個Linux調試器（七）：源碼級斷點

作者：佚名
系統 Linux
這篇文章將會添加源碼級斷點到我們的調試器中。通過所有我們已經支持的功能，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據以及理解鏈接概念非常有用。

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在內存地址上設置斷點雖然不錯，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入口地址上設置斷點，以便我們可以在與代碼相同的抽象級別中進行調試。

這篇文章將會添加源碼級斷點到我們的調試器中。通過所有我們已經支持的功能，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據以及理解鏈接概念非常有用。

系列索引

隨著后面文章的發布，這些鏈接會逐漸生效。

  1. 準備環境
  2. 斷點
  3. 寄存器和內存
  4. Elves 和 dwarves
  5. 源碼和信號
  6. 源碼級逐步執行
  7. 源碼級斷點
  8. 調用棧
  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。回想一下，DWARF 包含了函數的地址范圍和一個允許你在抽象層之間轉換代碼位置的行表。我們將使用這些功能來實現我們的斷點。

函數入口

如果你考慮重載、成員函數等等，那么在函數名上設置斷點可能有點復雜，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。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(函數的起始地址)來設置我們的斷點。

  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。 問題是函數的 DW_AT_low_pc 不指向該函數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的 prologue 和 epilogue，它們用于執行保存和恢復堆棧、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 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置一個斷點，我們要將這個行號轉換成 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 的第五行設置一個斷點，我們將查找與行 (0x004004e3) 相關的入口并設置一個斷點。

  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 。當然你實際上應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，這是由編譯器根據它認為是斷點的***目標的地址設置的。

符號查找

當我們在對象文件層時，符號是王者。函數用符號命名，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建一個可執行程序。

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置環境的很多符號，***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系破環這個接口。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。更智能的實現可以建立從名稱到符號的映射，這樣你只需要查看一次數據就行了。

  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 風格的接口，其中斷點類型是通過你傳遞的參數推斷的，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現的任何匹配項：

  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試器，并設置源代碼級別的斷點。在一些 foo 函數上設置一個斷點，看到我的調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。 

責任編輯：龐桂玉 來源： Linux中國
Linux調試器源碼級斷點
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Linux調試器高級主題

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Linux調試器堆棧展開

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Linux調試器Elves和dwarv

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Linux調試器寄存器和內存

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