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PRF&PUB:20170726 Writing a Linux Debugger Part 9 Handling variables.md
@geekpi
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5ecb72816e
commit
b55930f4ee
@ -1,118 +1,79 @@
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开发一个 Linux 调试器（九）：处理变量
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变量是偷偷摸摸的。有时，它们会很高兴地呆在寄存器中，但是一转头就会跑到堆栈中。为了优化，编译器可能会完全将它们从窗口中抛出。无论变量在内存中的移动频率如何，我们都需要一些方法在调试器中跟踪和操作它们。这篇文章将会教你如何处理调试器中的变量，并使用 `libelfin` 演示一个简单的实现。
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变量是偷偷摸摸的。有时，它们会很高兴地呆在寄存器中，但是一转头就会跑到堆栈中。为了优化，编译器可能会完全将它们从窗口中抛出。无论变量在内存中的如何移动，我们都需要一些方法在调试器中跟踪和操作它们。这篇文章将会教你如何处理调试器中的变量，并使用 `libelfin` 演示一个简单的实现。
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### 系列文章索引
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1. [设置][1]
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1. [准备环境][1]
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2. [断点][2]
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3. [寄存器和内存][3]
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4. [ELF 和 DWARF][4]
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5. [源和信号][5]
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6. [源码级单步调试][6]
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5. [源码和信号][5]
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6. [源码级逐步执行][6]
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7. [源码级断点][7]
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8. [堆栈展开][8]
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9. [处理变量][9]
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10. [高级话题][10]
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在开始之前，请确保你使用的 `libelfin` 版本是[我分支上的 `fbreg`][11]。这包含了一些 hack 来支持获取当前堆栈帧的基址并评估位置列表，这些都不是由原生的 `libelfin` 提供的。你可能需要给 GCC 传递 `-gdwarf-2` 参数使其生成兼容的 DWARF 信息。但是在实现之前，我将详细说明 DWARF 5 最新规范中的位置编码方式。如果你想要了解更多信息，那么你可以从[这里][12]获取该标准。
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在开始之前，请确保你使用的 `libelfin` 版本是[我分支上的 `fbreg`][11]。这包含了一些 hack 来支持获取当前堆栈帧的基址并评估位置列表，这些都不是由原生的 `libelfin` 提供的。你可能需要给 GCC 传递 `-gdwarf-2` 参数使其生成兼容的 DWARF 信息。但是在实现之前，我将详细说明 DWARF 5 最新规范中的位置编码方式。如果你想要了解更多信息，那么你可以从[这里][12]获取标准。
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### DWARF 位置
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### DWARF 未知
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某一给定时刻的内存中变量的位置使用 `DW_AT_location` 属性编码在 DWARF 信息中。位置描述可以是单个位置描述、复合位置描述或位置列表。
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使用 `DW_AT_location` 属性在 DWARF 信息中编码给定时刻内存中变量的位置。位置描述可以是单个位置描述，复合位置描述或位置列表。
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* 简单位置描述：描述了对象的一个连续的部分（通常是所有部分）的位置。简单位置描述可以描述可寻址存储器或寄存器中的位置，或缺少位置（具有或不具有已知值）。比如，`DW_OP_fbreg -32`： 一个整个存储的变量 - 从堆栈帧基址开始的32个字节。
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* 复合位置描述：根据片段描述对象，每个对象可以包含在寄存器的一部分中或存储在与其他片段无关的存储器位置中。比如， `DW_OP_reg3 DW_OP_piece 4 DW_OP_reg10 DW_OP_piece 2`：前四个字节位于寄存器 3 中，后两个字节位于寄存器 10 中的一个变量。
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* 位置列表：描述了具有有限生存期或在生存期内更改位置的对象。比如：
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* `<loclist with 3 entries follows>`
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* `[ 0]<lowpc=0x2e00><highpc=0x2e19>DW_OP_reg0`
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* `[ 1]<lowpc=0x2e19><highpc=0x2e3f>DW_OP_reg3`
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* `[ 2]<lowpc=0x2ec4><highpc=0x2ec7>DW_OP_reg2`
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* 根据程序计数器的当前值，位置在寄存器之间移动的变量。
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* 简单的位置描述描述对象的一个连续的部分（通常是所有）的位置。简单位置描述可以描述可寻址存储器或寄存器中的位置，或缺少位置（具有或不具有已知值）。
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* 比如：
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* `DW_OP_fbreg -32`
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* 一个完全存储的变量 - 从堆栈帧基址开始的32个字节
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* 复合位置描述根据片段描述对象，每个对象可以包含在寄存器的一部分中或存储在与其他片段无关的存储器位置中。
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* 比如：
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* `DW_OP_reg3 DW_OP_piece 4 DW_OP_reg10 DW_OP_piece 2`
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* 前四个字节位于寄存器 3 中，后两个字节位于寄存器 10 中的一个变量。
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* 位置列表描述了具有有限周期或在周期内更改位置的对象。
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* 比如：
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* `<loclist with 3 entries follows>`
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* `[ 0]<lowpc=0x2e00><highpc=0x2e19>DW_OP_reg0`
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* `[ 1]<lowpc=0x2e19><highpc=0x2e3f>DW_OP_reg3`
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* `[ 2]<lowpc=0x2ec4><highpc=0x2ec7>DW_OP_reg2`
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* 根据程序计数器的当前值，位置在寄存器之间移动的变量
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根据位置描述的种类，`DW_AT_location` 以三种不同的方式进行编码。`exprloc` 编码简单和复合的位置描述。它们由一个字节长度组成，后跟一个 DWARF 表达式或位置描述。`loclist` 和 `loclistptr` 的编码位置列表。它们在 `.debug_loclists` 部分中提供索引或偏移量，该部分描述了实际的位置列表。
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根据位置描述的种类，`DW_AT_location` 以三种不同的方式进行编码。`exprloc` 编码简单和复合的位置描述。它们由一个字节长度组成，后跟一个 DWARF 表达式或位置描述。`loclist` 和 `loclistptr` 的编码位置列表，它们在 `.debug_loclists` 部分中提供索引或偏移量，该部分描述了实际的位置列表。
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### DWARF 表达式
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使用 DWARF 表达式计算变量的实际位置。这包括操作堆栈值的一系列操作。有很多 DWARF 操作可用，所以我不会详细解释它们。相反，我会从每一个表达式中给出一些例子，给你一个可用的东西。另外，不要害怕这些; `libelfin` 将为我们处理所有这些复杂性。
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使用 DWARF 表达式计算变量的实际位置。这包括操作堆栈值的一系列操作。有很多 DWARF 操作可用，所以我不会详细解释它们。相反，我会从每一个表达式中给出一些例子，给你一个可用的东西。另外，不要害怕这些；`libelfin` 将为我们处理所有这些复杂性。
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* 字面编码
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* `DW_OP_lit0`、`DW_OP_lit1`。。。`DW_OP_lit31`
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* 将字面值压入堆栈
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* `DW_OP_lit0`、`DW_OP_lit1`……`DW_OP_lit31`
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* 将字面量压入堆栈
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* `DW_OP_addr <addr>`
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* 将地址操作数压入堆栈
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* `DW_OP_constu <unsigned>`
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* 将无符号值压入堆栈
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* 寄存器值
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* `DW_OP_fbreg <offset>`
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* 压入在堆栈帧基址找到的值，偏移给定值
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* `DW_OP_breg0`、`DW_OP_breg1`。。。 `DW_OP_breg31 <offset>`
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* `DW_OP_breg0`、`DW_OP_breg1`…… `DW_OP_breg31 <offset>`
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* 将给定寄存器的内容加上给定的偏移量压入堆栈
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* 堆栈操作
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* `DW_OP_dup`
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* 复制堆栈顶部的值
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* `DW_OP_deref`
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* 将堆栈顶部视为内存地址，并将其替换为该地址的内容
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* 算术和逻辑运算
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* `DW_OP_and`
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* 弹出堆栈顶部的两个值，并压回它们的逻辑 `AND`
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* `DW_OP_plus`
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* 与 `DW_OP_and` 相同，但是会添加值
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* 控制流操作
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* `DW_OP_le`、`DW_OP_eq`、`DW_OP_gt` 等
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* 弹出前两个值，比较它们，并且如果条件为真，则压入 `1`，否则为 `0`
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* `DW_OP_bra <offset>`
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* 条件分支：如果堆栈的顶部不是 `0`，则通过 `offset` 在表达式中向后或向后跳过
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* 输入转化
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* `DW_OP_convert <DIE offset>`
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* 将堆栈顶部的值转换为不同的类型，它由给定偏移量的 DWARF 信息条目描述
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* 特殊操作
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* `DW_OP_nop`
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* 什么都能不做！
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* 什么都不做！
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### DWARF 类型
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DWARF 的类型表示需要足够强大来为调试器用户提供有用的变量表示。用户经常希望能够在应用程序级别进行调试，而不是在机器级别进行调试，并且他们需要了解他们的变量正在做什么。
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DWARF 类型的表示需要足够强大来为调试器用户提供有用的变量表示。用户经常希望能够在应用程序级别进行调试，而不是在机器级别进行调试，并且他们需要了解他们的变量正在做什么。
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DWARF 类型与大多数其他调试信息一起编码在 DIE 中。它们可以具有指示其名称、编码、大小、字节等的属性。无数的类型标签可用于表示指针、数组、结构体、typedef 以及 C 或 C++ 程序中可以看到的任何其他内容。
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@ -168,7 +129,7 @@ struct test{
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```
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每个成员都有一个名称，一个类型（它是一个 DIE 偏移量），一个声明文件和行，以及一个字节偏移到该成员所在的结构体中。类型指向下一个。
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每个成员都有一个名称、一个类型（它是一个 DIE 偏移量）、一个声明文件和行，以及一个指向其成员所在的结构体的字节偏移。其类型指向如下。
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```
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< 1><0x00000063> DW_TAG_base_type
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@ -195,11 +156,9 @@ struct test{
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如你所见，我笔记本电脑上的 `int` 是一个 4 字节的有符号整数类型，`float`是一个 4 字节的浮点数。整数数组类型通过指向 `int` 类型作为其元素类型，`sizetype`（可以认为是 `size_t`）作为索引类型，它具有 `2a` 个元素。 `test *` 类型是 `DW_TAG_pointer_type`，它引用 `test` DIE。
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### 实现简单的变量读取器
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如上所述，`libelfin` 将处理我们大部分的复杂性。但是，它并没有实现用于表示可变位置的所有不同方法，并且在我们的代码中处理这些将变得非常复杂。因此，我现在选择只支持 `exprloc`。请随意添加对更多类型表达式的支持。如果你真的有勇气，请提交补丁到 `libelfin` 中来帮助完成必要的支持！
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如上所述，`libelfin` 将为我们处理大部分复杂性。但是，它并没有实现用于表示可变位置的所有方法，并且在我们的代码中处理这些将变得非常复杂。因此，我现在选择只支持 `exprloc`。请根据需要添加对更多类型表达式的支持。如果你真的有勇气，请提交补丁到 `libelfin` 中来帮助完成必要的支持！
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处理变量主要是将不同部分定位在存储器或寄存器中，读取或写入与之前一样。为了简单起见，我只会告诉你如何实现读取。
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@ -305,29 +264,27 @@ void debugger::read_variables() {
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编写一些具有一些变量的小功能，不用优化并带有调试信息编译它，然后查看是否可以读取变量的值。尝试写入存储变量的内存地址，并查看程序改变的行为。
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已经有九篇文章了，还剩最后一篇！下一次我会讨论一些你可能会感兴趣的更高级的概念。现在你可以在[这里][13]找到这个帖子的代码。
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via: https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-variables/
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作者：[ Simon Brand][a]
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作者：[Simon Brand][a]
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译者：[geekpi](https://github.com/geekpi)
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校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]:https://www.twitter.com/TartanLlama
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[1]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-setup/
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[2]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-breakpoints/
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[3]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-registers/
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[4]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-elf-dwarf/
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[5]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-source-signal/
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[6]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-dwarf-step/
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[7]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-source-break/
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||||
[8]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-unwinding/
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[1]:https://linux.cn/article-8626-1.html
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[2]:https://linux.cn/article-8645-1.html
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[3]:https://linux.cn/article-8663-1.html
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[4]:https://linux.cn/article-8719-1.html
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[5]:https://linux.cn/article-8812-1.html
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[6]:https://linux.cn/article-8813-1.html
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[7]:https://linux.cn/article-8890-1.html
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[8]:https://linux.cn/article-8930-1.html
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[9]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-variables/
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[10]:https://blog.tartanllama.xyz/writing-a-linux-debugger-advanced-topics/
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[11]:https://github.com/TartanLlama/libelfin/tree/fbreg
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