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调试器的工作原理: 第3篇 - 调试信息
这是调试器的工作原理系列文章的第三篇。阅读这篇文章之前应当先阅读第一篇与第二篇。
这篇文章的主要内容
本文将解释调试器是如何在机器码中，查找它将C语言源代码转换成机器语言代码时所需要的C语言函数、变量、与数据。
调试信息
现代编译器能够将有着各种排版或嵌套的程序流程、各种数据类型的变量的高级语言代码转换为一大堆称之为机器码的 0/1 数据，这么做的唯一目的是尽可能快的在目标 CPU 上运行程序。通常来说一行C语言代码能够转换为若干条机器码。变量被分散在机器码中的各个部分，有的在堆栈中，有的在寄存器中，或者直接被优化掉了。数据结构与对象在机器码中甚至不“存在”，它们只是用于将数据按一定的结构编码存储进缓存。
那么调试器怎么知道，当你需要在某个函数入口处暂停时，程序要在哪停下来呢？它怎么知道当你查看某个变量值时，它怎么找到这个值？答案是，调试信息。
编译器在生成机器码时同时会生成相应的调试信息。调试信息代表了可执行程序与源代码之间的关系，并以一种提前定义好的格式，同机器码存放在一起。过去的数年里，人们针对不同的平台与可执行文件发明了很多种用于存储这些信息的格式。不过我们这篇文章不会讲这些格式的历史，而是将阐述这些调试信息是如何工作的，所以我们将专注于一些事情，比如 DWARF。DWARF 如今十分广泛的应用在类 Unix 平台上的可执行文件的调试。
ELF 中的 DWARF
根据它的维基百科 所描述，虽然 DWARF 是同 ELF 一同设计的（DWARF 是由 DWARF 标准委员会推出的开放标准。上文中展示的 图标就来自这个网站。），但 DWARF 在理论上来说也可以嵌入到其他的可执行文件格式中。
DWARF 是一种复杂的格式，它的构建基于过去多年中许多不同的编译器与操作系统。正是因为它解决了一个为任意语言在任何平台与业务系统中产生调试信息的这样棘手的难题，它也必须很复杂。想要透彻的讲解 DWARF 仅仅是通过这单薄的一篇文章是远远不够的，说实话我也并没有充分地了解 DWARF 到每一个微小的细节，所以我也不能十分透彻的讲解 （如果你感兴趣的话，文末有一些能够帮助你的资源。建议从 DWARF 教程开始上手）。这篇文章中我将以浅显易懂的方式展示 DWARF 在实际应用中调试信息是如何工作的。
ELF文件中的调试部分
首先让我们看看 DWARF 处在 ELF 文件中的什么位置。ELF 定义了每一个生成的目标文件中的每一部分。 section header table 声明并定义了每一部分。不同的工具以不同的方式处理不同的部分，例如连接器会寻找连接器需要的部分，调试器会查找调试器需要的部分。
我们本文的实验会使用从这个C语言源文件构建的可执行文件，编译成 tracedprog2：
#include <stdio.h>
void do_stuff(int my_arg)、
{
int my_local = my_arg + 2;
int i;
for (i = 0; i < my_local; ++i)
printf("i = %d\n", i);
}
int main()
{
do_stuff(2);
return 0;
}
使用 objdump -h 命令检查 ELF 可执行文件中的段落头，我们会看到几个以 .debug_ 开头的段落，这些就是 DWARF 的调试部分。
26 .debug_aranges 00000020 00000000 00000000 00001037
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
27 .debug_pubnames 00000028 00000000 00000000 00001057
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
28 .debug_info 000000cc 00000000 00000000 0000107f
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
29 .debug_abbrev 0000008a 00000000 00000000 0000114b
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
30 .debug_line 0000006b 00000000 00000000 000011d5
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
31 .debug_frame 00000044 00000000 00000000 00001240
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
32 .debug_str 000000ae 00000000 00000000 00001284
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
33 .debug_loc 00000058 00000000 00000000 00001332
CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
每个段落的第一个数字代表了这个段落的大小，最后一个数字代表了这个段落开始位置距离 ELF 的偏移量。调试器利用这些信息从可执行文件中读取段落。
现在让我们看看一些在 DWARF 中查找有用的调试信息的实际例子。
查找函数
调试器的基础任务之一，就是当我们在某个函数处设置断点时，调试器需要能够在入口处暂停。为此，必须为函数与函数在机器码地址这两者建立起某种映射关系。
为了获取这种映射关系，我们可以查找 DWARF 中的 .debug_info 段落。在我们深入之前，需要一点基础知识。DWARF 中每一个描述类型被称之为调试信息入口（DIE）。每个 DIE 都有关于它的属性之类的标签。DIE 之间通过兄弟节点或子节点连接，属性的值也可以指向其他的 DIE.
运行以下命令
objdump --dwarf=info tracedprog2
输出文件相当的长，为了方便举例我们只关注这些行（从这里开始，无用的冗长信息我会以 （...）代替，方便排版。）：
<1><71>: Abbrev Number: 5 (DW_TAG_subprogram)
<72> DW_AT_external : 1
<73> DW_AT_name : (...): do_stuff
<77> DW_AT_decl_file : 1
<78> DW_AT_decl_line : 4
<79> DW_AT_prototyped : 1
<7a> DW_AT_low_pc : 0x8048604
<7e> DW_AT_high_pc : 0x804863e
<82> DW_AT_frame_base : 0x0 (location list)
<86> DW_AT_sibling : <0xb3>
<1><b3>: Abbrev Number: 9 (DW_TAG_subprogram)
<b4> DW_AT_external : 1
<b5> DW_AT_name : (...): main
<b9> DW_AT_decl_file : 1
<ba> DW_AT_decl_line : 14
<bb> DW_AT_type : <0x4b>
<bf> DW_AT_low_pc : 0x804863e
<c3> DW_AT_high_pc : 0x804865a
<c7> DW_AT_frame_base : 0x2c (location list)
上面的代码中有两个带有 DW_TAG_subprogram 标签的入口，在 DWARF 中这是对函数的指代。注意，这是两个段落入口，其中一个是 do_stuff 函数的入口，另一个是主函数的入口。这些信息中有很多值得关注的属性，但其中最值得注意的是 DW_AT_low_pc。它代表了函数开始处程序指针的值（在x86平台上是 EIP）。此处 0x8048604 代表了 do_stuff 函数开始处的程序指针。下面我们将利用 objdump -d 命令对可执行文件进行反汇编。来看看这块地址中都有什么：
08048604 <do_stuff>:
8048604: 55 push ebp
8048605: 89 e5 mov ebp,esp
8048607: 83 ec 28 sub esp,0x28
804860a: 8b 45 08 mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
804860d: 83 c0 02 add eax,0x2
8048610: 89 45 f4 mov DWORD PTR [ebp-0xc],eax
8048613: c7 45 (...) mov DWORD PTR [ebp-0x10],0x0
804861a: eb 18 jmp 8048634 <do_stuff+0x30>
804861c: b8 20 (...) mov eax,0x8048720
8048621: 8b 55 f0 mov edx,DWORD PTR [ebp-0x10]
8048624: 89 54 24 04 mov DWORD PTR [esp+0x4],edx
8048628: 89 04 24 mov DWORD PTR [esp],eax
804862b: e8 04 (...) call 8048534 <printf@plt>
8048630: 83 45 f0 01 add DWORD PTR [ebp-0x10],0x1
8048634: 8b 45 f0 mov eax,DWORD PTR [ebp-0x10]
8048637: 3b 45 f4 cmp eax,DWORD PTR [ebp-0xc]
804863a: 7c e0 jl 804861c <do_stuff+0x18>
804863c: c9 leave
804863d: c3 ret
显然，0x8048604 是 do_stuff 的开始地址，这样一来，调试器就可以建立函数与其在可执行文件中的位置间的映射关系。
查找变量
假设我们当前在 do_staff 函数中某个位置上设置断点停了下来。我们想通过调试器取得 my_local 这个变量的值。调试器怎么知道在哪里去找这个值呢？很显然这要比查找函数更为困难。变量可能存储在全局存储区、堆栈、甚至是寄存器中。此外，同名变量在不同的作用域中可能有着不同的值。调试信息必须能够反映所有的这些变化，当然，DWARF 就能做到。
我不会逐一去将每一种可能的状况，但我会以调试器在 do_stuff 函数中查找 my_local 变量的过程来举个例子。下面我们再看一遍 .debug_info 中 do_stuff 的每一个入口，这次连它的子入口也要一起看。
<1><71>: Abbrev Number: 5 (DW_TAG_subprogram)
<72> DW_AT_external : 1
<73> DW_AT_name : (...): do_stuff
<77> DW_AT_decl_file : 1
<78> DW_AT_decl_line : 4
<79> DW_AT_prototyped : 1
<7a> DW_AT_low_pc : 0x8048604
<7e> DW_AT_high_pc : 0x804863e
<82> DW_AT_frame_base : 0x0 (location list)
<86> DW_AT_sibling : <0xb3>
<2><8a>: Abbrev Number: 6 (DW_TAG_formal_parameter)
<8b> DW_AT_name : (...): my_arg
<8f> DW_AT_decl_file : 1
<90> DW_AT_decl_line : 4
<91> DW_AT_type : <0x4b>
<95> DW_AT_location : (...) (DW_OP_fbreg: 0)
<2><98>: Abbrev Number: 7 (DW_TAG_variable)
<99> DW_AT_name : (...): my_local
<9d> DW_AT_decl_file : 1
<9e> DW_AT_decl_line : 6
<9f> DW_AT_type : <0x4b>
<a3> DW_AT_location : (...) (DW_OP_fbreg: -20)
<2><a6>: Abbrev Number: 8 (DW_TAG_variable)
<a7> DW_AT_name : i
<a9> DW_AT_decl_file : 1
<aa> DW_AT_decl_line : 7
<ab> DW_AT_type : <0x4b>
<af> DW_AT_location : (...) (DW_OP_fbreg: -24)
看到每个入口处第一对尖括号中的数字了吗？这些是嵌套的等级，在上面的例子中，以 <2> 开头的入口是以 <1> 开头的子入口。因此我们得知 my_local 变量（以 DW_TAG_variable 标签标记）是 do_stuff 函数的局部变量。除此之外，调试器也需要知道变量的数据类型，这样才能正确的使用与显示变量。上面的例子中 my_local 的变量类型指向另一个 DIE <0x4b>。如果使用 objdump 命令查看这个 DIE 部分的话，我们会发现这部分代表了有符号4字节整型数据。
而为了在实际运行的程序内存中查找变量的值，调试器需要使用到 DW_AT_location 属性。对于 my_local 而言，是 DW_OP_fbreg: -20。这个代码段的意思是说 my_local 存储在距离它所在函数起始地址偏移量为-20的地方。
do_stuff 函数的 DW_AT_frame_base 属性值为 0x0 (location list)。这意味着这个属性的值需要在 location list 中查找。下面我们来一起看看。
$ objdump --dwarf=loc tracedprog2
tracedprog2: file format elf32-i386
Contents of the .debug_loc section:
Offset Begin End Expression
00000000 08048604 08048605 (DW_OP_breg4: 4 )
00000000 08048605 08048607 (DW_OP_breg4: 8 )
00000000 08048607 0804863e (DW_OP_breg5: 8 )
00000000 <End of list>
0000002c 0804863e 0804863f (DW_OP_breg4: 4 )
0000002c 0804863f 08048641 (DW_OP_breg4: 8 )
0000002c 08048641 0804865a (DW_OP_breg5: 8 )
0000002c <End of list>
我们需要关注的是第一列（do_stuff 函数的 DW_AT_frame_base 属性包含 location list 中 0x0 的偏移量。而 main 函数的相同属性包含 0x2c 的偏移量，这个偏移量是第二套地址列表的偏移量。）。对于调试器可能定位到的每一个地址，它都会指定当前栈帧到变量间的偏移量，而这个偏移就是通过寄存器来计算的。对于x86平台而言，bpreg4 指向 esp，而 bpreg5 指向 ebp。
让我们再看看 do_stuff 函数的头几条指令。
08048604 <do_stuff>:
8048604: 55 push ebp
8048605: 89 e5 mov ebp,esp
8048607: 83 ec 28 sub esp,0x28
804860a: 8b 45 08 mov eax,DWORD PTR [ebp+0x8]
804860d: 83 c0 02 add eax,0x2
8048610: 89 45 f4 mov DWORD PTR [ebp-0xc],eax
只有当第二条指令执行后，ebp 寄存器才真正存储了有用的值。当然，前两条指令的基址是由上面所列出来的地址信息表计算出来的。一但 ebp 确定了，计算偏移量就十分方便了，因为尽管 esp 在操作堆栈的时候需要移动，但 ebp 作为栈底并不需要移动。
究竟我们应该去哪里找 my_local 的值呢？在 0x8048610 这块地址后， my_local 的值经过在 eax 中的计算后被存在了内存中，从这里开始我们才需要关注 my_local 的值。调试器会利用 DW_OP_breg5: 8 这个基址来查找。我们回想下，my_local 的 DW_AT_location 属性值为 DW_OP_fbreg: -20。所以应当从基址中 -20 ，同时由于 ebp 寄存器需要 + 8，所以最终结果为 - 12。现在再次查看反汇编代码，来看看数据从 eax 中被移动到哪里了。当然，这里 my_local 应当被存储在了 ebp - 12 的地址中。
查看行号
当我们谈论调试信息的时候，我们利用了些技巧。当调试C语言源代码并在某个函数出放置断点的时候，我们并不关注第一条“机器码”指令（函数的调用准备工作已经完成而局部变量还没有初始化。）。我们真正关注的是函数的第一行“C代码”。
这就是 DWARF 完全覆盖映射C源代码与可执行文件中机器码地址的原因。下面是 .debug_line 段中所包含的内容，我们将其转换为可读的格式展示如下。
$ objdump --dwarf=decodedline tracedprog2
tracedprog2: file format elf32-i386
Decoded dump of debug contents of section .debug_line:
CU: /home/eliben/eli/eliben-code/debugger/tracedprog2.c:
File name Line number Starting address
tracedprog2.c 5 0x8048604
tracedprog2.c 6 0x804860a
tracedprog2.c 9 0x8048613
tracedprog2.c 10 0x804861c
tracedprog2.c 9 0x8048630
tracedprog2.c 11 0x804863c
tracedprog2.c 15 0x804863e
tracedprog2.c 16 0x8048647
tracedprog2.c 17 0x8048653
tracedprog2.c 18 0x8048658
很容易就可以看出其中C源代码与反汇编代码之间的对应关系。第5行指向 do_stuff 函数的入口，0x8040604。第6行，指向 0x804860a ，正是调试器在调试 do_stuff 函数时需要停下来的地方。这里已经完成了函数调用的准备工作。上面的这些信息形成了行号与地址间的双向映射关系。
- 当在某一行设置断点的时候，调试器会利用这些信息去查找相应的地址来做断点工作（还记得上篇文章中的 int 3 指令吗？）
- 当指令造成代码段错误时，调试器会利用这些信息来查看源代码中发生的状况。
libdwarf - 用 DWARF 编程
尽管使用命令行工具来获得 DWARF 很有用，但这仍然不够易用。作为程序员，我们应当知道当我们需要这些调试信息时应当怎么编程来获取这些信息。
自然我们想到的第一种方法就是阅读 DWARF 规范并按规范操作阅读使用。有句话说的好，分析 HTML 应当使用库函数，永远不要手工分析。对于 DWARF 来说这是如此。DWARF 比 HTML 要复杂得多。上面所展示出来的只是冰山一角。更糟糕的是，在实际的目标文件中，大部分信息是以压缩格式存储的，分析起来更加复杂（信息中的某些部分，例如位置信息与行号信息，在某些虚拟机下是以指令的方式编码的。）。
所以我们要使用库函数来处理 DWARF。下面是两种我熟悉的主流库（还有些不完整的库这里没有写）
BFD(libbfd)，包含了objdump（对，就是这篇文章中我们一直在用的这货），ld（GNU连接器）与as（GNU编译器）。BFD主要用于GNU binutils。libdwarf，同它的哥哥libelf一同用于Solaris与FreeBSD中的调试信息分析。
相比较而言我更倾向于使用 libdwarf，因为我对它了解的更多，并且 libdwarf 的开源协议更开放。
因为 libdwarf 本身相当复杂，操作起来需要相当多的代码，所以我在这不会展示所有代码。你可以在 这里 下载代码并运行试试。运行这些代码需要提前安装 libelfand 与 libdwarf ，同时在使用连接器的时候要使用参数 -lelf 与 -ldwarf。
这个示例程序可以接受可执行文件并打印其中的函数名称与函数入口地址。下面是我们整篇文章中使用的C程序经过示例程序处理后的输出。
$ dwarf_get_func_addr tracedprog2
DW_TAG_subprogram: 'do_stuff'
low pc : 0x08048604
high pc : 0x0804863e
DW_TAG_subprogram: 'main'
low pc : 0x0804863e
high pc : 0x0804865a
libdwarf 的文档很棒，如果你花些功夫，利用 libdwarf 获得这篇文章中所涉及到的 DWARF 信息应该并不困难。
结论与计划
原理上讲，调试信息是个很简单的概念。尽管实现细节可能比较复杂，但经过了上面的学习我想你应该了解了调试器是如何从可执行文件中获取它需要的源代码信息的了。对于程序员而言，程序只是代码段与数据结构；对可执行文件而言，程序只是一系列存储在内存或寄存器中的指令或数据。但利用调试信息，调试器就可以将这两者连接起来，从而完成调试工作。
此文与这系列的前两篇，一同介绍了调试器的内部工作过程。利用这里所讲到的知识，再敲些代码，应该可以完成一个 Linux 中最简单基础但也有一定功能的调试器。
下一步我并不确定要做什么，这个系列文章可能就此结束，也有可能我要讲些堆栈调用的事情，又或者讲 Windows 下的调试。你们有什么好的点子或者相关材料，可以直接评论或者发邮件给我。
参考
- objdump 参考手册
- ELF 与 DWARF的维基百科
- Dwarf Debugging Standard home page，这里有很棒的 DWARF 教程与 DWARF 标准，作者是 Michael Eager。第二版基于 GCC 也许更能吸引你。
- libdwarf home page，这里可以下载到 libwarf 的完整库与参考手册
- BFD documentation
via: http://eli.thegreenplace.net/2011/02/07/how-debuggers-work-part-3-debugging-information
作者：Eli Bendersky 译者：YYforymj 校对：校对者ID