gdb 如何工作?
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大家好!今天,我开始进行我的 [ruby 堆栈跟踪项目][1],我发觉我现在了解了一些关于 `gdb` 内部如何工作的内容。

最近,我使用 `gdb` 来查看我的 Ruby 程序,所以,我们将对一个 Ruby 程序运行 `gdb` 。它实际上就是一个 Ruby 解释器。首先,我们需要打印出一个全局变量的地址:`ruby_current_thread`。

### 获取全局变量

下面展示了如何获取全局变量 `ruby_current_thread` 的地址:

```
$ sudo gdb -p 2983
(gdb) p & ruby_current_thread
$2 = (rb_thread_t **) 0x5598a9a8f7f0 <ruby_current_thread>
```

变量能够位于的地方有<ruby>堆<rt>heap</rt></ruby>、<ruby>栈<rt>stack</rt></ruby>或者程序的<ruby>文本段<rt>text</rt></ruby>。全局变量是程序的一部分。某种程度上,你可以把它们想象成是在编译的时候分配的。因此,我们可以很容易的找出全局变量的地址。让我们来看看,`gdb` 是如何找出 `0x5598a9a87f0` 这个地址的。

我们可以通过查看位于 `/proc` 目录下一个叫做 `/proc/$pid/maps` 的文件,来找到这个变量所位于的大致区域。


```
$ sudo cat /proc/2983/maps | grep bin/ruby
5598a9605000-5598a9886000 r-xp 00000000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby
5598a9a86000-5598a9a8b000 r--p 00281000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby
5598a9a8b000-5598a9a8d000 rw-p 00286000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby

```

所以,我们看到,起始地址 `5598a9605000` 和 `0x5598a9a8f7f0` 很像,但并不一样。哪里不一样呢,我们把两个数相减,看看结果是多少:

```
(gdb) p/x 0x5598a9a8f7f0 - 0x5598a9605000
$4 = 0x48a7f0

```

你可能会问,这个数是什么?让我们使用 `nm` 来查看一下程序的符号表。

```
sudo nm /proc/2983/exe | grep ruby_current_thread
000000000048a7f0 b ruby_current_thread
```

我们看到了什么?能够看到 `0x48a7f0` 吗?是的,没错。所以,如果我们想找到程序中一个全局变量的地址,那么只需在符号表中查找变量的名字,然后再加上在 `/proc/whatever/maps` 中的起始地址,就得到了。

所以现在,我们知道 `gdb` 做了什么。但是,`gdb` 实际做的事情更多,让我们跳过直接转到…

### 解引用指针

```
(gdb) p ruby_current_thread
$1 = (rb_thread_t *) 0x5598ab3235b0
```

我们要做的下一件事就是解引用 `ruby_current_thread` 这一指针。我们想看一下它所指向的地址。为了完成这件事,`gdb` 会运行大量系统调用比如:

```
ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 2983, 0x5598a9a8f7f0, [0x5598ab3235b0]) = 0

```

你是否还记得 `0x5598a9a8f7f0` 这个地址?`gdb` 会问:“嘿,在这个地址中的实际内容是什么?”。`2983` 是我们运行 gdb 这个进程的 ID。gdb 使用 `ptrace` 这一系统调用来完成这一件事。

好极了!因此,我们可以解引用内存并找出内存地址中存储的内容。有一些有用的 `gdb` 命令,比如 `x/40w 变量` 和 `x/40b 变量` 分别会显示给定地址的 40 个字/字节。

### 描述结构

一个内存地址中的内容可能看起来像下面这样。可以看到很多字节!

```
(gdb) x/40b ruby_current_thread
0x5598ab3235b0:	16	-90	55	-85	-104	85	0	0
0x5598ab3235b8:	32	47	50	-85	-104	85	0	0
0x5598ab3235c0:	16	-64	-55	115	-97	127	0	0
0x5598ab3235c8:	0	0	2	0	0	0	0	0
0x5598ab3235d0:	-96	-83	-39	115	-97	127	0	0
```

这很有用,但也不是非常有用!如果你是一个像我一样的人类并且想知道它代表什么,那么你需要更多内容,比如像这样:

```
(gdb) p *(ruby_current_thread)
$8 = {self = 94114195940880, vm = 0x5598ab322f20, stack = 0x7f9f73c9c010,
	stack_size = 131072, cfp = 0x7f9f73d9ada0, safe_level = 0,    raised_flag = 0,
	last_status = 8, state = 0, waiting_fd = -1, passed_block = 0x0,
	passed_bmethod_me = 0x0, passed_ci = 0x0,    top_self = 94114195612680,
	top_wrapper = 0, base_block = 0x0, root_lep = 0x0, root_svar = 8, thread_id =
	140322820187904,
```

太好了。现在就更加有用了。`gdb` 是如何知道这些所有域的,比如 `stack_size` ?是从 `DWARF` 得知的。`DWARF` 是存储额外程序调试数据的一种方式,从而像 `gdb` 这样的调试器能够工作的更好。它通常存储为二进制的一部分。如果我对我的 Ruby 二进制文件运行 `dwarfdump` 命令,那么我将会得到下面的输出:

(我已经重新编排使得它更容易理解)

```
DW_AT_name                  "rb_thread_struct"
DW_AT_byte_size             0x000003e8
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "self"
  DW_AT_type                  <0x00000579>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 0
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "vm"
  DW_AT_type                  <0x0000270c>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 8
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "stack"
  DW_AT_type                  <0x000006b3>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 16
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "stack_size"
  DW_AT_type                  <0x00000031>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 24
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "cfp"
  DW_AT_type                  <0x00002712>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 32
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "safe_level"
  DW_AT_type                  <0x00000066>

```

所以,`ruby_current_thread` 的类型名为 `rb_thread_struct`,它的大小为 `0x3e8` (即 1000 字节),它有许多成员项,`stack_size` 是其中之一,在偏移为 `24` 的地方,它有类型 `31` 。`31` 是什么?不用担心,我们也可以在 DWARF 信息中查看。

```
< 1><0x00000031>    DW_TAG_typedef
                      DW_AT_name                  "size_t"
                      DW_AT_type                  <0x0000003c>
< 1><0x0000003c>    DW_TAG_base_type
                      DW_AT_byte_size             0x00000008
                      DW_AT_encoding              DW_ATE_unsigned
                      DW_AT_name                  "long unsigned int"

```

所以,`stack_size` 具有类型 `size_t`,即 `long unsigned int`,它是 8 字节的。这意味着我们可以查看该栈的大小。

如果我们有了 DWARF 调试数据,该如何分解:

1.  查看 `ruby_current_thread` 所指向的内存区域
2.  加上 `24` 字节来得到 `stack_size` 
3.  读 8 字节(以小端的格式,因为是在 x86 上)
4.  得到答案!

在上面这个例子中是 `131072`(即 128 kb)。

对我来说,这使得调试信息的用途更加明显。如果我们不知道这些所有变量所表示的额外的元数据,那么我们无法知道存储在 `0x5598ab325b0` 这一地址的字节是什么。

这就是为什么你可以为你的程序单独安装程序的调试信息,因为 `gdb` 并不关心从何处获取这些额外的调试信息。

### DWARF 令人迷惑

我最近阅读了大量的 DWARF 知识。现在,我使用 libdwarf,使用体验不是很好,这个 API 令人迷惑,你将以一种奇怪的方式初始化所有东西,它真的很慢(需要花费 0.3 秒的时间来读取我的 Ruby 程序的所有调试信息,这真是可笑)。有人告诉我,来自 elfutils 的 libdw 要好一些。

同样,再提及一点,你可以查看 `DW_AT_data_member_location` 来查看结构成员的偏移。我在 Stack Overflow 上查找如何完成这件事,并且得到[这个答案][2]。基本上,以下面这样一个检查开始:

```
dwarf_whatform(attrs[i], &form, &error);
    if (form == DW_FORM_data1 || form == DW_FORM_data2
        form == DW_FORM_data2 || form == DW_FORM_data4
        form == DW_FORM_data8 || form == DW_FORM_udata) {
```

继续往前。为什么会有 800 万种不同的 `DW_FORM_data` 需要检查?发生了什么?我没有头绪。

不管怎么说,我的印象是,DWARF 是一个庞大而复杂的标准(可能是人们用来生成 DWARF 的库稍微不兼容),但是我们有的就是这些,所以我们只能用它来工作。

我能够编写代码并查看 DWARF ,这就很酷了,并且我的代码实际上大多数能够工作。除了程序崩溃的时候。我就是这样工作的。

### 展开栈路径

在这篇文章的早期版本中,我说过,`gdb` 使用 libunwind 来展开栈路径,这样说并不总是对的。

有一位对 `gdb` 有深入研究的人发了大量邮件告诉我,为了能够做得比 libunwind 更好,他们花费了大量时间来尝试如何展开栈路径。这意味着,如果你在程序的一个奇怪的中间位置停下来了,你所能够获取的调试信息又很少,那么你可以对栈做一些奇怪的事情,`gdb` 会尝试找出你位于何处。

### gdb 能做的其他事

我在这儿所描述的一些事请(查看内存,理解 DWARF 所展示的结构)并不是 `gdb` 能够做的全部事情。阅读 Brendan Gregg 的[昔日 gdb 例子][3],我们可以知道,`gdb` 也能够完成下面这些事情:

*   反汇编
*   查看寄存器内容

在操作程序方面,它可以:

*   设置断点,单步运行程序
*   修改内存(这是一个危险行为)

了解 `gdb` 如何工作使得当我使用它的时候更加自信。我过去经常感到迷惑,因为 `gdb` 有点像 C,当你输入 `ruby_current_thread->cfp->iseq`,就好像是在写 C 代码。但是你并不是在写 C 代码。我很容易遇到 `gdb` 的限制,不知道为什么。

知道使用 DWARF 来找出结构内容给了我一个更好的心智模型和更加正确的期望!这真是极好的!

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via: https://jvns.ca/blog/2016/08/10/how-does-gdb-work/

作者:[Julia Evans][a]
译者:[ucasFL](https://github.com/ucasFL)
校对:[wxy](https://github.com/wxy)

本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译,[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出

[a]:https://jvns.ca/
[1]:http://jvns.ca/blog/2016/06/12/a-weird-system-call-process-vm-readv/
[2]:https://stackoverflow.com/questions/25047329/how-to-get-struct-member-offset-from-dwarf-info
[3]:http://www.brendangregg.com/blog/2016-08-09/gdb-example-ncurses.html