開(kāi)發(fā)一個(gè)Linux調(diào)試器（二）：斷點(diǎn)
在該系列的***部分，我們寫了一個(gè)小的進(jìn)程啟動(dòng)器，作為我們調(diào)試器的基礎(chǔ)。在這篇博客中，我們會(huì)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(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(lái)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(huì)關(guān)注軟件斷點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儽容^簡(jiǎn)單，而且可以設(shè)置任意多斷點(diǎn)。在 x86 機(jī)器上任一時(shí)刻你最多只能有 4 個(gè)硬件斷點(diǎn)，但是它們能讓你在讀取或者寫入給定地址時(shí)觸發(fā)，而不是只有當(dāng)代碼執(zhí)行到那里的時(shí)候。
我前面說(shuō)軟件斷點(diǎn)是通過(guò)修改正在執(zhí)行的代碼實(shí)現(xiàn)的，那么問(wèn)題就來(lái)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(gè)問(wèn)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(lái)讀或者寫內(nèi)存。
當(dāng)執(zhí)行到斷點(diǎn)時(shí)，我們的更改要讓處理器暫停并給程序發(fā)送信號(hào)。在 x86 機(jī)器上這是通過(guò) int 3 重寫該地址上的指令實(shí)現(xiàn)的。x86 機(jī)器有個(gè)中斷向量表(interrupt vector table)，操作系統(tǒng)能用它來(lái)為多種事件注冊(cè)處理程序，例如頁(yè)故障、保護(hù)故障和無(wú)效操作碼。它就像是注冊(cè)錯(cuò)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(shí)，控制權(quán)就被傳遞給斷點(diǎn)中斷處理器，對(duì)于 Linux 來(lái)說(shuō)，就是給進(jìn)程發(fā)送 SIGTRAP 信號(hào)。你可以在下圖中看到這個(gè)進(jìn)程，我們用 0xcc 覆蓋了 mov 指令的***個(gè)字節(jié)，它是 init 3 的指令代碼。
斷點(diǎn)
謎題的***一個(gè)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(lái)監(jiān)聽(tīng)被發(fā)送給被調(diào)試的程序的信號(hào)。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(guò)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(gè)斷點(diǎn)傳達(dá)給用戶。
實(shí)現(xiàn)軟件斷點(diǎn)
我們會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè) breakpoint 類來(lái)表示某個(gè)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(lái))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(qǐng)求告知 ptrace 如何讀取被跟蹤進(jìn)程的內(nèi)存。我們給它一個(gè)進(jìn)程 ID 和一個(gè)地址，然后它返回給我們?cè)摰刂樊?dāng)前的 64 位內(nèi)容。 (m_saved_data & ~0xff) 把這個(gè)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(lái)設(shè)置斷點(diǎn)。***我們通過(guò) PTRACE_POKEDATA 用我們的新數(shù)據(jù)覆蓋那部分內(nèi)存來(lái)設(shè)置斷點(diǎn)。
disable 的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)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(guò)用戶界面設(shè)置斷點(diǎn)，我們要在 debugger 類修改三個(gè)地方：
- 給 debugger 添加斷點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- 添加 set_breakpoint_at_address 函數(shù)
- 給我們的 handle_command 函數(shù)添加 break 命令
我會(huì)將我的斷點(diǎn)保存到 std::unordered_map<std::intptr_t, breakpoint> 結(jié)構(gòu)，以便能簡(jiǎn)單快速地判斷一個(gè)給定的地址是否有斷點(diǎn)，如果有的話，取回該 breakpoint 對(duì)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(huì)新建一個(gè) breakpoint 對(duì)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(kù)或者命令行工具使用，為了簡(jiǎn)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(huì)在我們的命令處理程序中增加對(duì)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(gè)字符并對(duì)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(huì)發(fā)現(xiàn)，如果你從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行，不會(huì)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(jiǎn)單的解決辦法就是停用這個(gè)斷點(diǎn)、運(yùn)行到下一步、再次啟用這個(gè)斷點(diǎn)、然后繼續(xù)執(zhí)行。不過(guò)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(huì)留到下一篇關(guān)于操作寄存器的文章中介紹。
測(cè)試它
當(dāng)然，如果你不知道要在哪個(gè)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(huì)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(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
測(cè)試你調(diào)試器的簡(jiǎn)單方法是寫一個(gè) hello world 程序，這個(gè)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(huì)停止而不會(huì)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(gè)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(gè)方法是使用 objdump。如果你打開(kāi)一個(gè)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(gè) 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(méi)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(gè)可以啟動(dòng)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(huì)添加讀寫內(nèi)存和寄存器的功能。再次說(shuō)明，如果你有任何問(wèn)題請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論框中告訴我。
你可以在這里 找到該項(xiàng)目的代碼。
