需要了解的Linux調(diào)試器之源碼級(jí)斷點(diǎn)

在內(nèi)存地址上設(shè)置斷點(diǎn)雖然不錯(cuò)，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(diǎn)，以便我們可以在與代碼相同的抽象級(jí)別中進(jìn)行調(diào)試。

這篇文章將會(huì)添加源碼級(jí)斷點(diǎn)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(lái)容易得多。我們還將添加一個(gè)命令來(lái)獲取符號(hào)的類型和地址，這對(duì)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(huì)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(hào)

源碼級(jí)逐步執(zhí)行

源碼級(jí)斷點(diǎn)

調(diào)用棧

讀取變量

之后步驟

斷點(diǎn)

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(lái)將機(jī)器碼映射到高層源碼中。回想一下，DWARF 包含了函數(shù)的地址范圍和一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)我們的斷點(diǎn)。

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(diǎn)可能有點(diǎn)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：

< 0><0x0000000b> DW_TAG_compile_unit DW_AT_producer clang version 3.9.1 (tags/RELEASE_391/final) DW_AT_language DW_LANG_C_plus_plus DW_AT_name /super/secret/path/MiniDbg/examples/variable.cpp DW_AT_stmt_list 0x00000000 DW_AT_comp_dir /super/secret/path/MiniDbg/build DW_AT_low_pc 0x00400670 DW_AT_high_pc 0x0040069cLOCAL_SYMBOLS:< 1><0x0000002e> DW_TAG_subprogram DW_AT_low_pc 0x00400670 DW_AT_high_pc 0x0040069c DW_AT_name foo ......<14><0x000000b0> DW_TAG_subprogram DW_AT_low_pc 0x00400700 DW_AT_high_pc 0x004007a0 DW_AT_name bar ...

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(lái)設(shè)置我們的斷點(diǎn)。

void debugger::set_breakpoint_at_function(const std::string& name) {for (const auto& cu : m_dwarf.compilation_units()) {for (const auto& die : cu.root()) {if (die.has(dwarf::DW_AT::name) && at_name(die) == name) {auto low_pc = at_low_pc(die);auto entry = get_line_entry_from_pc(low_pc);++entry; //skip prologueset_breakpoint_at_address(entry->address);}}}}

這代碼看起來(lái)有點(diǎn)奇怪的唯一一點(diǎn)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(huì)輸出一個(gè)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(duì)我們來(lái)說不是很有用，所以我們將入口行加一來(lái)獲取用戶代碼的第一行而不是 prologue。DWARF 行表實(shí)際上具有一些功能，用于將入口標(biāo)記為函數(shù) prologue 之后的第一行，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(gè)斷點(diǎn)，我們要將這個(gè)行號(hào)轉(zhuǎn)換成 DWARF 中的一個(gè)地址。我們將遍歷編譯單元，尋找一個(gè)名稱與給定文件匹配的編譯單元，然后查找與給定行對(duì)應(yīng)的入口。

DWARF 看上去有點(diǎn)像這樣：

.debug_line: line number info for a single cuSource lines (from CU-DIE at .debug_info offset 0x0000000b):NS new statement, BB new basic block, ET end of text sequencePE prologue end, EB epilogue beginIS=val ISA number, DI=val discriminator value[lno,col] NS BB ET PE EB IS= DI= uri: "filepath"0x004004a7 [ 1, 0] NS uri: "/super/secret/path/a.hpp"0x004004ab [ 2, 0] NS0x004004b2 [ 3, 0] NS0x004004b9 [ 4, 0] NS0x004004c1 [ 5, 0] NS0x004004c3 [ 1, 0] NS uri: "/super/secret/path/b.hpp"0x004004c7 [ 2, 0] NS0x004004ce [ 3, 0] NS0x004004d5 [ 4, 0] NS0x004004dd [ 5, 0] NS0x004004df [ 4, 0] NS uri: "/super/secret/path/ab.cpp"0x004004e3 [ 5, 0] NS0x004004e8 [ 6, 0] NS0x004004ed [ 7, 0] NS0x004004f4 [ 7, 0] NS ET

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

void debugger::set_breakpoint_at_source_line(const std::string& file, unsigned line) {for (const auto& cu : m_dwarf.compilation_units()) {if (is_suffix(file, at_name(cu.root()))) {const auto& lt = cu.get_line_table();for (const auto& entry : lt) {if (entry.is_stmt && entry.line == line) {set_breakpoint_at_address(entry.address);return;}}}}}

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(shí)際上應(yīng)該使用大小寫敏感路徑處理庫(kù)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(biāo)記為一個(gè)語(yǔ)句的開頭，這是由編譯器根據(jù)它認(rèn)為是斷點(diǎn)的最佳目標(biāo)的地址設(shè)置的。

符號(hào)查找

當(dāng)我們?cè)趯?duì)象文件層時(shí)，符號(hào)是王者。函數(shù)用符號(hào)命名，全局變量用符號(hào)命名，你得到一個(gè)符號(hào)，我們得到一個(gè)符號(hào)，每個(gè)人都得到一個(gè)符號(hào)。 在給定的對(duì)象文件中，一些符號(hào)可能引用其他對(duì)象文件或共享庫(kù)，鏈接器將從符號(hào)引用創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行程序。

可以在正確命名的符號(hào)表中查找符號(hào)，它存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件的 ELF 部分中。幸運(yùn)的是，libelfin 有一個(gè)不錯(cuò)的接口來(lái)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?cè)谔幚硎裁矗旅媸且粋€(gè)二進(jìn)制文件的 .symtab 部分的轉(zhuǎn)儲(chǔ)，它由 readelf 生成：

Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND1: 0000000000400238 0 SECTION LOCAL DEFAULT 12: 0000000000400254 0 SECTION LOCAL DEFAULT 23: 0000000000400278 0 SECTION LOCAL DEFAULT 34: 00000000004002c8 0 SECTION LOCAL DEFAULT 45: 0000000000400430 0 SECTION LOCAL DEFAULT 56: 00000000004004e4 0 SECTION LOCAL DEFAULT 67: 0000000000400508 0 SECTION LOCAL DEFAULT 78: 0000000000400528 0 SECTION LOCAL DEFAULT 89: 0000000000400558 0 SECTION LOCAL DEFAULT 910: 0000000000400570 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1011: 0000000000400714 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1112: 0000000000400720 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1213: 0000000000400724 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1314: 0000000000400750 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1415: 0000000000600e18 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1516: 0000000000600e20 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1617: 0000000000600e28 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1718: 0000000000600e30 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1819: 0000000000600ff0 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1920: 0000000000601000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2021: 0000000000601018 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2122: 0000000000601028 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2223: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2324: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2425: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2526: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2627: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2728: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2829: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2930: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3031: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS init.c32: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS crtstuff.c33: 0000000000600e28 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 17 __JCR_LIST__34: 00000000004005a0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 10 deregister_tm_clones35: 00000000004005e0 0 FUNC LOCAL DEFAULT 10 register_tm_clones36: 0000000000400620 0 FUNC LOCAL DEFAULT 10 __do_global_dtors_aux37: 0000000000601028 1 OBJECT LOCAL DEFAULT 22 completed.691738: 0000000000600e20 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 16 __do_global_dtors_aux_fin39: 0000000000400640 0 FUNC LOCAL DEFAULT 10 frame_dummy40: 0000000000600e18 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 15 __frame_dummy_init_array_41: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS /super/secret/path/MiniDbg/42: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS crtstuff.c43: 0000000000400818 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 14 __FRAME_END__44: 0000000000600e28 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 17 __JCR_END__45: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS46: 0000000000400724 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 13 __GNU_EH_FRAME_HDR47: 0000000000601000 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 20 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_48: 0000000000601028 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 21 __TMC_END__49: 0000000000601020 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 21 __dso_handle50: 0000000000600e20 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 15 __init_array_end51: 0000000000600e18 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT 15 __init_array_start52: 0000000000600e30 0 OBJECT LOCAL DEFAULT 18 _DYNAMIC53: 0000000000601018 0 NOTYPE WEAK DEFAULT 21 data_start54: 0000000000400710 2 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 __libc_csu_fini55: 0000000000400570 43 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 _start56: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__57: 0000000000400714 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 _fini58: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@@GLIBC_59: 0000000000400720 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 12 _IO_stdin_used60: 0000000000601018 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 21 __data_start61: 00000000004006a0 101 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 __libc_csu_init62: 0000000000601028 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 22 __bss_start63: 0000000000601030 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 22 _end64: 0000000000601028 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 21 _edata65: 0000000000400670 44 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 main66: 0000000000400558 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 9 _init

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

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

enum class symbol_type {notype, // No type (e.g., absolute symbol)object, // Data objectfunc, // Function entry pointsection, // Symbol is associated with a sectionfile, // Source file associated with the}; // object filestd::string to_string (symbol_type st) {switch (st) {case symbol_type::notype: return "notype";case symbol_type::object: return "object";case symbol_type::func: return "func";case symbol_type::section: return "section";case symbol_type::file: return "file";}}struct symbol {symbol_type type;std::string name;std::uintptr_t addr;};

我們需要將從 libelfin 獲得的符號(hào)類型映射到我們的枚舉，因?yàn)槲覀儾幌Ｍ蕾囮P(guān)系破環(huán)這個(gè)接口。幸運(yùn)的是，我為所有的東西選了同樣的名字，所以這樣很簡(jiǎn)單：

symbol_type to_symbol_type(elf::stt sym) {switch (sym) {case elf::stt::notype: return symbol_type::notype;case elf::stt::object: return symbol_type::object;case elf::stt::func: return symbol_type::func;case elf::stt::section: return symbol_type::section;case elf::stt::file: return symbol_type::file;default: return symbol_type::notype;}};

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

std::vector debugger::lookup_symbol(const std::string& name) {std::vector syms;for (auto &sec : m_elf.sections()) {if (sec.get_hdr().type != elf::sht::symtab && sec.get_hdr().type != elf::sht::dynsym)continue;for (auto sym : sec.as_symtab()) {if (sym.get_name() == name) {auto &d = sym.get_data();syms.push_back(symbol{to_symbol_type(d.type()), sym.get_name(), d.value});}}}return syms;}

添加命令

一如往常，我們需要添加一些更多的命令來(lái)向用戶暴露功能。對(duì)于斷點(diǎn)，我使用 GDB 風(fēng)格的接口，其中斷點(diǎn)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?-> 斷點(diǎn)地址

:?-> 斷點(diǎn)行號(hào)

-> 斷點(diǎn)函數(shù)名

else if(is_prefix(command, "break")) {if (args[1][0] == '0' && args[1][1] == 'x') {std::string addr {args[1], 2};set_breakpoint_at_address(std::stol(addr, 0, 16));}else if (args[1].find(':') != std::string::npos) {auto file_and_line = split(args[1], ':');set_breakpoint_at_source_line(file_and_line[0], std::stoi(file_and_line[1]));}else {set_breakpoint_at_function(args[1]);}}

對(duì)于符號(hào)，我們將查找符號(hào)并打印出我們發(fā)現(xiàn)的任何匹配項(xiàng)：

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

測(cè)試一下

在一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制文件上啟動(dòng)調(diào)試器，并設(shè)置源代碼級(jí)別的斷點(diǎn)。在一些 foo 函數(shù)上設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)，看到我的調(diào)試器停在它上面是我這個(gè)項(xiàng)目最有價(jià)值的時(shí)刻之一。

符號(hào)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(lái)進(jìn)行測(cè)試。請(qǐng)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。

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