開發(fā)一個Linux調(diào)試器（十）：高級主題
我們終于來到這個系列的最后一篇文章!這一次，我將對調(diào)試中的一些更高級的概念進(jìn)行高層的概述：遠(yuǎn)程調(diào)試、共享庫支持、表達(dá)式計算和多線程支持。這些想法實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，所以我不會詳細(xì)說明如何做，但是如果你有問題的話，我很樂意回答有關(guān)這些概念的問題。
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遠(yuǎn)程調(diào)試
遠(yuǎn)程調(diào)試對于嵌入式系統(tǒng)或?qū)Σ煌h(huán)境進(jìn)行調(diào)試非常有用。它還在高級調(diào)試器操作和與操作系統(tǒng)和硬件的交互之間設(shè)置了一個很好的分界線。事實(shí)上，像 GDB 和 LLDB 這樣的調(diào)試器即使在調(diào)試本地程序時也可以作為遠(yuǎn)程調(diào)試器運(yùn)行。一般架構(gòu)是這樣的：
debugarch
調(diào)試器是我們通過命令行交互的組件。也許如果你使用的是 IDE，那么在其上有另一個層可以通過機(jī)器接口與調(diào)試器進(jìn)行通信。在目標(biāo)機(jī)器上(可能與本機(jī)一樣)有一個調(diào)試存根debug stub ，理論上它是一個非常小的操作系統(tǒng)調(diào)試庫的包裝程序，它執(zhí)行所有的低級調(diào)試任務(wù)，如在地址上設(shè)置斷點(diǎn)。我說“在理論上”，因為如今調(diào)試存根變得越來越大。例如，我機(jī)器上的 LLDB 調(diào)試存根大小是 7.6MB。調(diào)試存根通過使用一些特定于操作系統(tǒng)的功能(在我們的例子中是 ptrace)和被調(diào)試進(jìn)程以及通過遠(yuǎn)程協(xié)議的調(diào)試器通信。
最常見的遠(yuǎn)程調(diào)試協(xié)議是 GDB 遠(yuǎn)程協(xié)議。這是一種基于文本的數(shù)據(jù)包格式，用于在調(diào)試器和調(diào)試存根之間傳遞命令和信息。我不會詳細(xì)介紹它，但你可以在這里進(jìn)一步閱讀。如果你啟動 LLDB 并執(zhí)行命令 log enable gdb-remote packets，那么你將獲得通過遠(yuǎn)程協(xié)議發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包的跟蹤信息。在 GDB 上，你可以用 set remotelogfile <file> 做同樣的事情。
作為一個簡單的例子，這是設(shè)置斷點(diǎn)的數(shù)據(jù)包：
- $Z0,400570,1#43
$ 標(biāo)記數(shù)據(jù)包的開始。Z0 是插入內(nèi)存斷點(diǎn)的命令。400570 和 1 是參數(shù)，其中前者是設(shè)置斷點(diǎn)的地址，后者是特定目標(biāo)的斷點(diǎn)類型說明符。最后，#43 是校驗值，以確保數(shù)據(jù)沒有損壞。
GDB 遠(yuǎn)程協(xié)議非常易于擴(kuò)展自定義數(shù)據(jù)包，這對于實(shí)現(xiàn)平臺或語言特定的功能非常有用。
共享庫和動態(tài)加載支持
調(diào)試器需要知道被調(diào)試程序加載了哪些共享庫，以便它可以設(shè)置斷點(diǎn)、獲取源代碼級別的信息和符號等。除查找被動態(tài)鏈接的庫之外，調(diào)試器還必須跟蹤在運(yùn)行時通過 dlopen 加載的庫。為了達(dá)到這個目的，動態(tài)鏈接器維護(hù)一個 交匯結(jié)構(gòu)體。該結(jié)構(gòu)體維護(hù)共享庫描述符的鏈表，以及一個指向每當(dāng)更新鏈表時調(diào)用的函數(shù)的指針。這個結(jié)構(gòu)存儲在 ELF 文件的 .dynamic 段中，在程序執(zhí)行之前被初始化。
一個簡單的跟蹤算法：
- 追蹤程序在 ELF 頭中查找程序的入口(或者可以使用存儲在 /proc/<pid>/aux 中的輔助向量)。
- 追蹤程序在程序的入口處設(shè)置一個斷點(diǎn)，并開始執(zhí)行。
- 當(dāng)?shù)竭_(dá)斷點(diǎn)時，通過在 ELF 文件中查找 .dynamic 的加載地址找到交匯結(jié)構(gòu)體的地址。
- 檢查交匯結(jié)構(gòu)體以獲取當(dāng)前加載的庫的列表。
- 鏈接器更新函數(shù)上設(shè)置斷點(diǎn)。
- 每當(dāng)?shù)竭_(dá)斷點(diǎn)時，列表都會更新。
- 追蹤程序無限循環(huán)，繼續(xù)執(zhí)行程序并等待信號，直到追蹤程序信號退出。
我給這些概念寫了一個小例子，你可以在這里找到。如果有人有興趣，我可以將來寫得更詳細(xì)一點(diǎn)。
表達(dá)式計算
表達(dá)式計算是程序的一項功能，允許用戶在調(diào)試程序時對原始源語言中的表達(dá)式進(jìn)行計算。例如，在 LLDB 或 GDB 中，可以執(zhí)行 print foo() 來調(diào)用 foo 函數(shù)并打印結(jié)果。
根據(jù)表達(dá)式的復(fù)雜程度，有幾種不同的計算方法。如果表達(dá)式只是一個簡單的標(biāo)識符，那么調(diào)試器可以查看調(diào)試信息，找到該變量并打印出該值，就像我們在本系列最后一部分中所做的那樣。如果表達(dá)式有點(diǎn)復(fù)雜，則可能將代碼編譯成中間表達(dá)式 (IR) 并解釋來獲得結(jié)果。例如，對于某些表達(dá)式，LLDB 將使用 Clang 將表達(dá)式編譯為 LLVM IR 并將其解釋。如果表達(dá)式更復(fù)雜，或者需要調(diào)用某些函數(shù)，那么代碼可能需要 JIT 到目標(biāo)并在被調(diào)試者的地址空間中執(zhí)行。這涉及到調(diào)用 mmap 來分配一些可執(zhí)行內(nèi)存，然后將編譯的代碼復(fù)制到該塊并執(zhí)行。LLDB 通過使用 LLVM 的 JIT 功能來實(shí)現(xiàn)。
如果你想更多地了解 JIT 編譯，我強(qiáng)烈推薦 Eli Bendersky 關(guān)于這個主題的文章。
多線程調(diào)試支持
本系列展示的調(diào)試器僅支持單線程應(yīng)用程序，但是為了調(diào)試大多數(shù)真實(shí)程序，多線程支持是非常需要的。支持這一點(diǎn)的最簡單的方法是跟蹤線程的創(chuàng)建，并解析 procfs 以獲取所需的信息。
Linux 線程庫稱為 pthreads。當(dāng)調(diào)用 pthread_create 時，庫會使用 clone 系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建一個新的線程，我們可以用 ptrace 跟蹤這個系統(tǒng)調(diào)用(假設(shè)你的內(nèi)核早于 2.5.46)。為此，你需要在連接到調(diào)試器之后設(shè)置一些 ptrace 選項：
- ptrace(PTRACE_SETOPTIONS, m_pid, nullptr, PTRACE_O_TRACECLONE);
現(xiàn)在當(dāng) clone 被調(diào)用時，該進(jìn)程將收到我們的老朋友 SIGTRAP 信號。對于本系列中的調(diào)試器，你可以將一個例子添加到 handle_sigtrap 來處理新線程的創(chuàng)建：
- case (SIGTRAP | (PTRACE_EVENT_CLONE << 8)):
- //get the new thread ID
- unsigned long event_message = 0;
- ptrace(PTRACE_GETEVENTMSG, pid, nullptr, message);
- //handle creation
- //...
一旦收到了，你可以看看 /proc/<pid>/task/ 并查看內(nèi)存映射之類來獲得所需的所有信息。
GDB 使用 libthread_db，它提供了一堆幫助函數(shù)，這樣你就不需要自己解析和處理。設(shè)置這個庫很奇怪，我不會在這展示它如何工作，但如果你想使用它，你可以去閱讀這個教程。
多線程支持中最復(fù)雜的部分是調(diào)試器中線程狀態(tài)的建模，特別是如果你希望支持不間斷模式或當(dāng)你計算中涉及不止一個 CPU 的某種異構(gòu)調(diào)試。
最后!
呼!這個系列花了很長時間才寫完，但是我在這個過程中學(xué)到了很多東西，我希望它是有幫助的。如果你有關(guān)于調(diào)試或本系列中的任何問題，請在 Twitter @TartanLlama或評論區(qū)聯(lián)系我。如果你有想看到的其他任何調(diào)試主題，讓我知道我或許會再發(fā)其他的文章。
