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开发 Linux 调试器第二部分：断点
在该系列的第一部分，我们写了一个小的进程启动器作为我们调试器的基础。在这篇博客中，我们会学习断点如何在 x86 Linux 上工作以及给我们工具添加设置断点的能力。
###系列文章索引
随着后面文章的发布，这些链接会逐渐生效。
译者注：ELF（Executable and Linkable Format 可执行文件格式），DWARF（一种广泛使用的调试数据格式，参考 WIKI）
断点如何形成？
有两种类型的断点：硬件和软件。硬件断点通常涉及设置和体系结构相关的寄存器来为你产生断点，而软件断点则涉及修改正在执行的代码。在这篇文章中我们只会关注软件断点，因为它们比较简单，而且足够完成你想要的功能。在 x86 机器上任一时刻你最多只能有 4 个硬件断点，但是它们能使你通过读取或者写入给定地址生效，而不是只有当执行到那里的时候。
我前面说软件断点是通过修改正在执行的代码实现的，那么问题就来了：
- 我们如何修改代码？
- 为了设置断点我们要做什么修改？
- 如何告知调试器？
第一个问题的答案显然是 ptrace。我们之前已经用它来启动我们的程序以便跟踪和继续它的执行，但我们也可以用它来读或者写内存。
当执行到断点时，我们的更改要让处理器暂停并给程序发送信号。在 x86 机器上这是通过 int 3 重写该地址上的指令实现的。x86 机器有个interrupt vector table（中断向量表），操作系统能用它来为多种事件注册处理程序，例如页故障、保护故障和无效操作码。它就像是注册错误处理回调函数，但是在硬件层面的。当处理器执行 int 3 指令时，控制权就被传递给断点中断处理器，对于 Linux 来说，就是给进程发送 SIGTRAP 信号。你可以在下图中看到这个进程，我们用 0xcc-int 3 的指令编码 - 覆盖了 mov 指令的第一个字节。
最后一个谜题是调试器如何被告知中断的。如果你回顾前面的文章，我们可以用 waitpid 来监听被发送给被调试程序的信号。这里我们也可以这样做：设置断点、继续执行程序、调用 waitpid 然后等待直到发生 SIGTRAP。然后就可以通过打印已运行到的源码位置、或改变有图形用户界面的调试器中关注的代码行从而将这个断点传达给用户。
实现软件断点
我们会实现一个 breakpoint 类来表示某个位置的断点，我们可以根据需要启用或者停用该断点。
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
};
这里的大部分代码都是跟踪状态；真正神奇的地方是 enable 和 disable 函数。
正如我们上面学到的，我们要用 int 3 指令 - 编码为 0xcc - 替换当前指定地址的指令。我们还要保存该地址之前的值，以便后面恢复代码；我们不想忘了执行用户的代码。
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 的 PTRACE_PEEKDATA 请求完成如何读取被跟踪进程的内存。我们给它一个进程 ID 和一个地址，然后它返回给我们该地址当前的 64 位内容。 (m_saved_data & ~0xff) 把这个数据的低位字节置零，然后我们用它和我们的 int 3 指令按位或 OR 来设置断点。然后我们通过 PTRACE_POKEDATA 用我们的新数据覆盖那部分内存来设置断点。
disable 的实现比较简单，我们只需要恢复用 0xcc 覆盖的原始数据。
void breakpoint::disable() {
ptrace(PTRACE_POKEDATA, m_pid, m_addr, m_saved_data);
m_enabled = false;
}
在调试器中增加断点
为了支持通过用户界面设置断点，我们要在 debugger 类修改三个地方：
- 给
debugger添加断点存储数据结构 - 添加
set_breakpoint_at_address函数 - 给我们的
handle_command函数添加break命令
我会将我的断点保存到 std::unordered_map<std::intptr_t, breakpoint> 结构，以便能简单快速地判断一个给定的地址是否有断点，如果有的话，取回该 breakpoint 对象。
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 函数中我们会新建一个 breakpoint 对象、启用它、把它添加到数据结构里、并给用户打印一条信息。如果你喜欢的话，你可以重构所有的输出信息，从而你可以将调试器作为库或者命令行工具使用，为了简便，我把它们都整合到了一起。
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;
}
现在我们会在我们的命令处理程序中增加对我们新函数的调用。
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";
}
}
我删除了字符串中的前两个字符并对结果调用 std::stol，为了让解析更加强壮，你也可以修改它。std::stol 可以将字符串按照所给基数转化为整数。
从断点继续执行
如果你尝试这样做，你可能会发现如果你从断点处继续执行，不会发生任何事情。这是因为断点仍然在内存中，因此一直被命中。简单的解决办法就是停用这个断点、运行到下一步、再次启用这个断点、然后继续执行。不幸的是我们还需要更改程序计数器指回断点前面，我们会将这部分内容留到下一篇博客学习了如何操作寄存器之后。
测试它
当然，如果你不知道要设置的地址，设置断点并非很有帮助。后面我们会学习如何在函数名或者代码行设置断点，但现在我们可以通过手动实现。
测试你调试器的简单方法是写一个 hello world 程序，这个程序输出到 std::err（为了避免缓存），并在调用输出操作符的地方设置断点。如果你继续执行被调试的程序，执行很可能会停止而不会输出任何东西。然后你可以重启调试器并在调用之后设置一个断点，现在你应该看到成功地输出了消息。
查找地址的一个方法是使用 objdump。如果你打开一个终端并执行 objdump -d <your program>，然后你应该看到你程序的反汇编代码。然后你就可以找到 main 函数并定位到你想设置断点的 call 指令。例如，我编译了一个 hello world 程序，反汇编它，然后得到了 main 的反汇编代码：
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，要没有输出，我们要在 0x400944 设置断点，要看到输出，要在 0x400949 设置断点。
总结
现在你应该有了一个可以启动程序、允许在内存地址上设置断点的调试器。后面我们会添加读写内存和寄存器的功能。再次说明，如果你有任何问题请在评论框中告诉我。
你可以在这里 找到该项目的代码。
via: http://blog.tartanllama.xyz/c++/2017/03/24/writing-a-linux-debugger-breakpoints/
作者：Simon Brand 译者：ictlyh 校对：jasminepeng