看一下GDB是通過什么機(jī)制來(lái)控制指令集的執(zhí)行

前言

這篇文章我們來(lái)聊聊大名鼎鼎的 GDB，它的豪門背景咱就不提了，和它的兄弟 GCC 一樣是含著金鑰匙出生的。相信每位嵌入式開發(fā)工程師都使用過 gdb 來(lái)調(diào)試程序，如果你說沒有用過，那只能說明你的開發(fā)經(jīng)歷還不夠坎坷，還需要繼續(xù)被 BUG 吊打。

我們都知道，在使用 GCC 編譯時(shí)，可以增加-g選項(xiàng)在可執(zhí)行文件中嵌入更多的調(diào)試信息，那么具體嵌入了哪些調(diào)試信息呢？這些調(diào)試信息是如何與二進(jìn)制的指令之間進(jìn)行相互交互的呢？在調(diào)試的時(shí)候，調(diào)試信息中是如何獲取函數(shù)調(diào)用棧中的上下文信息的呢？ 針對(duì)上面這些疑惑，道哥用兩篇文章把這些底層最深處的問題徹底描述清楚，讓你一次看過癮。

第一篇文章，就是當(dāng)前這一篇，主要內(nèi)容是介紹 GDB 的底層調(diào)試原理，我們來(lái)看一下 GDB 是通過什么機(jī)制來(lái)控制指令集的執(zhí)行。 第二篇文章，我們選擇一個(gè)體積小巧、五臟俱全的LUA語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行剖析，從源代碼分析到函數(shù)調(diào)用棧，從指令集到調(diào)試庫(kù)的修改，一網(wǎng)打盡。 內(nèi)容比較多，看完本文需要的時(shí)間可能長(zhǎng)一些，為了您的健康，不建議在處于蹲姿的時(shí)候閱讀這篇文章。

GDB調(diào)試模型

GDB 調(diào)試包括 2 個(gè)程序：gdb 程序和被調(diào)試程序。根據(jù)這 2 個(gè)程序是否運(yùn)行在同一臺(tái)電腦中，可以把 GDB 的調(diào)試模型分為 2 種：本地調(diào)試和遠(yuǎn)程調(diào)試。 本地調(diào)試：調(diào)試程序和被調(diào)試程序運(yùn)行在同一臺(tái)電腦中。

遠(yuǎn)程調(diào)試：調(diào)試程序運(yùn)行在一臺(tái)電腦中，被調(diào)試程序運(yùn)行在另一臺(tái)電腦中。

關(guān)于可視化調(diào)試程序并不是重點(diǎn)，它只是一個(gè)用來(lái)封裝 GDB 的外殼而已。我們既可以使用黑乎乎的終端窗口來(lái)調(diào)試程序；也可以使用集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，這個(gè)IDE中已經(jīng)嵌入了調(diào)試器，這樣就可以單擊各種 button 來(lái)代替手動(dòng)輸入調(diào)試命令了。

與本地調(diào)試相比，遠(yuǎn)程調(diào)試中多了GdbServer，它和目標(biāo)程序都是運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)中，可能是一臺(tái)x86電腦或者是一個(gè)ARM板子。圖中的紅線表示 GDB 與 GdbServer 之間通過網(wǎng)絡(luò)或者串口進(jìn)行通訊。既然是通訊，那么肯定需要一套通訊協(xié)議：RSP協(xié)議，全稱是：GDB Remote Serial Protocol(GDB遠(yuǎn)程通信協(xié)議)。

關(guān)于通訊協(xié)議的具體格式和內(nèi)容，我們不需要關(guān)心，只需要知道：它們都是字符串，有固定的開始字符('$')和結(jié)束字符('#')，最后還有兩個(gè)十六進(jìn)制的 ASCII 字符作為校驗(yàn)和，了解這么多就足夠了。

至于更多的細(xì)節(jié)，如果實(shí)在閑的XX可以瞄幾眼，其實(shí)這些協(xié)議，就像社會(huì)中各種奇葩的規(guī)定一樣，都是一幫磚家在廁所里想出來(lái)的。

在第二篇講解 LUA 的文章中，我們會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似的遠(yuǎn)程調(diào)試原型。其中的通信協(xié)議也是字符串，直接把 HTTP 協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化之后就拿過來(lái)使用了，十分清晰、方便。

GDB調(diào)試指令

為了完整性，這里把部分 GDB 調(diào)試指令貼一下，有感性認(rèn)識(shí)即可。這里沒有列舉所有的指令，列出的指令都是常用的，比較容易理解。

在講解 LUA 的時(shí)候，我們會(huì)選擇其中的某些指令進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比，包括底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

每一條具體的調(diào)試指令，使用的參數(shù)還有很多，例如斷點(diǎn)相關(guān)的就包括：設(shè)置斷點(diǎn)、刪除斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)、臨時(shí)停用啟用等等。

這篇文章的重點(diǎn)是理解 gdb 底層的調(diào)試機(jī)制，所以應(yīng)用層的這些指令的使用方法就不再列出了，網(wǎng)絡(luò)上的資源很多。

GDB與被調(diào)試程序之間的關(guān)系

為了方便描述，先寫一個(gè)最最簡(jiǎn)單的 C 程序：

編譯命令:$ gcc -g test.c -o test 我們對(duì)可執(zhí)行程序 test 進(jìn)行調(diào)試，輸入命令：$ gdb ./test，輸出如下：

在最后一行可以看到光標(biāo)在閃爍，這是 gdb 程序在等著我們給他下達(dá)調(diào)試命令呢。當(dāng)上面這個(gè)黑乎乎的終端窗口在執(zhí)行g(shù)db ./test的時(shí)候，在操作系統(tǒng)里發(fā)生了很多復(fù)雜的事情。

操作系統(tǒng)首先會(huì)啟動(dòng)gdb 進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程會(huì)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù) fork()，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程做兩件事情：

(1) 調(diào)用系統(tǒng)函數(shù) ptrace(PTRACE_TRACEME，[其他參數(shù)])；

(2) 通過 execc 來(lái)加載、執(zhí)行可執(zhí)行程序test，那么 test 程序就在這個(gè)子進(jìn)程中開始執(zhí)行了。

補(bǔ)充一點(diǎn)：文中有時(shí)稱之程序，有時(shí)稱之進(jìn)程?！俺绦颉泵枋龅氖且粋€(gè)靜態(tài)的概念，就是一堆數(shù)據(jù)躺著硬盤上，而“進(jìn)程”描述的是動(dòng)態(tài)的過程，是這個(gè)程序被讀取、加載到內(nèi)存上之后，在操作系統(tǒng)中有一個(gè)任務(wù)控制塊(一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))，專門用來(lái)管理這個(gè)進(jìn)程的。

鋪墊了半天，終于輪到主角登場(chǎng)了，那就是系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)ptrace（其中的參數(shù)后面會(huì)解釋），正是在它的幫助下，gdb 才擁有了強(qiáng)大的調(diào)試能力。函數(shù)原型是：

我們先來(lái)看一下 man 中對(duì)這個(gè)函數(shù)的簡(jiǎn)介：

tracer就是調(diào)試程序，可以理解為 gdb 程序；tracee就是被調(diào)試程序，對(duì)應(yīng)于圖中的目標(biāo)程序 test。老外一般喜歡用-er和-ee來(lái)表示主動(dòng)和被動(dòng)的關(guān)系，例如：employer 就是雇主(老板)，employee 就是苦逼的被雇傭者(打工人)。 ptrace 系統(tǒng)函數(shù)是 Linux 內(nèi)核提供的一個(gè)用于進(jìn)程跟蹤的系統(tǒng)調(diào)用，通過它，一個(gè)進(jìn)程(gdb)可以讀寫另外一個(gè)進(jìn)程(test)的指令空間、數(shù)據(jù)空間、堆棧和寄存器的值。

而且 gdb 進(jìn)程接管了 test 進(jìn)程的所有信號(hào)，也就是說系統(tǒng)向 test 進(jìn)程發(fā)送的所有信號(hào)，都被 gdb 進(jìn)程接收到，這樣一來(lái)，test 進(jìn)程的執(zhí)行就被 gdb 控制了，從而達(dá)到調(diào)試的目的。

相當(dāng)于這樣一種情況：如果沒有 gdb 調(diào)試，操作系統(tǒng)與目標(biāo)進(jìn)程之間是直接交互的；如果用 gdb 來(lái)調(diào)試程序，那么操作系統(tǒng)發(fā)送給目標(biāo)進(jìn)程的信號(hào)就會(huì)被 gdb 截獲，gdb 根據(jù)信號(hào)的屬性來(lái)決定：在繼續(xù)運(yùn)行目標(biāo)程序時(shí)是否把當(dāng)前截獲的信號(hào)轉(zhuǎn)交給 test，被調(diào)試程序 test 就在 gdb 發(fā)來(lái)的信號(hào)指揮下進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

GDB如何調(diào)試已經(jīng)執(zhí)行的服務(wù)進(jìn)程

是否有小伙伴會(huì)提出這樣一個(gè)疑問：上面被調(diào)試的程序 test 是從頭開始執(zhí)行的，是否可以用 gdb 來(lái)調(diào)試一個(gè)已經(jīng)處于執(zhí)行中的服務(wù)進(jìn)程呢？答曰：可以。這就涉及到 ptrace 系統(tǒng)函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)了，這個(gè)參數(shù)是一個(gè)枚舉類型的值，其中重要的是2個(gè)：PTRACE_TRACEME，PTRACE_ATTACH。

在上面的講解中，子進(jìn)程在調(diào)用 ptrace系統(tǒng)函數(shù)時(shí)使用的參數(shù)是PTRACE_TRACEME，注意橙色文字：是子進(jìn)程調(diào)用ptrace，相當(dāng)于子進(jìn)程對(duì)操作系統(tǒng)說：gdb 進(jìn)程是我的爸爸，以后你有任何想發(fā)給我的信號(hào)，請(qǐng)直接發(fā)給 gdb 進(jìn)程吧！

如果想對(duì)一個(gè)已經(jīng)執(zhí)行的進(jìn)程B進(jìn)行調(diào)試，那么就要在 gdb 這個(gè)父進(jìn)程中調(diào)用 ptrace(PTRACE_ATTACH, [其他參數(shù)])，此時(shí)，gdb 進(jìn)程會(huì) attach(綁定) 到已經(jīng)執(zhí)行的進(jìn)程B，gdb 把進(jìn)程B收養(yǎng)成為自己的子進(jìn)程，而子進(jìn)程B的行為等同于它進(jìn)行了一次 PTRACE_TRACEME 操作。

此時(shí)，gdb 進(jìn)程會(huì)發(fā)送 SIGSTOP 信號(hào)給子進(jìn)程B，子進(jìn)程B接收到 SIGSTOP 信號(hào)后，就會(huì)暫停執(zhí)行進(jìn)入 TASK_STOPED 狀態(tài)，表示自己準(zhǔn)備好被調(diào)試了。

所以，不論是調(diào)試一個(gè)新程序，還是調(diào)試一個(gè)已經(jīng)執(zhí)行的服務(wù)程序，通過 ptrace 系統(tǒng)調(diào)用，最終的結(jié)果都是：gdb 程序是父進(jìn)程，被調(diào)試程序是子進(jìn)程，子進(jìn)程的所有信號(hào)都被父進(jìn)程 gdb 來(lái)接管，并且父進(jìn)程 gdb 可查看、修改子進(jìn)程的內(nèi)部信息，包括：堆棧、寄存器等。

關(guān)于綁定，有幾個(gè)限制需要了解一下：不予許自我綁定，不允許多次綁定到同一個(gè)進(jìn)程，不允許綁定1號(hào)進(jìn)程。

偷窺GDB如何實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)指令

大道理已經(jīng)講完了，這里我們通過設(shè)置斷點(diǎn)(break)這個(gè)調(diào)試指令，來(lái)偷窺一下 gdb 內(nèi)部的調(diào)試機(jī)制。 還是以上面的代碼為例子，這里再重新貼一下代碼：

來(lái)看一下編譯出來(lái)的反匯編代碼是什么樣的(編譯指令：gcc -S test.c; cat test.S)

這里只貼了一部分反匯編代碼，只要能說明底層的原理就達(dá)到我們的目的了。

上面說到，在執(zhí)行 gdb ./test 之后，gdb 就會(huì) fork 出一個(gè)子進(jìn)程，這個(gè)子進(jìn)程首先調(diào)用 ptrace，然后執(zhí)行 test 程序，這樣 gdb 就稱為 test 的父進(jìn)程了，從而可以接管 test 的所有信號(hào)。

我們把源碼和匯編代碼放在一起，方便理解：

現(xiàn)在我們輸入調(diào)試指令：在調(diào)試窗口輸入設(shè)置斷點(diǎn)指令 “break 5”，此時(shí)gdb 做 2 件事情：

（1）對(duì)第 5 行源碼所對(duì)應(yīng)的匯編代碼存儲(chǔ)到斷點(diǎn)鏈表中。

（2）在匯編代碼的第 10 行，插入中斷指令 INT 3，也就是說：匯編代碼中的第10行被替換為INT3。

然后，在調(diào)試窗口繼續(xù)輸入執(zhí)行指令“run”(一直執(zhí)行，直到遇到斷點(diǎn)就暫停)，匯編代碼中的 PC 指針(一個(gè)內(nèi)部指針，指向即將執(zhí)行的那行代碼)執(zhí)行到第10行時(shí)，發(fā)現(xiàn)是INT 3指令，于是操作系統(tǒng)就發(fā)送一個(gè)SIGTRAP信號(hào)給 test 進(jìn)程。

（此刻，第 10 行匯編代碼 INT3 就被執(zhí)行過了，PC指針就指向第11行了。）

上面已經(jīng)說過，操作系統(tǒng)發(fā)給 test 的任何信號(hào)，都被 gdb 接管了，也就是說 gdb 會(huì)首先接收到這個(gè)信號(hào)。

gdb 發(fā)現(xiàn)當(dāng)前匯編代碼執(zhí)行的是第 10 行，于是到斷點(diǎn)鏈表中查找，發(fā)現(xiàn)有第 10 行的代碼，說明第 10 行被設(shè)置了斷點(diǎn)，此刻gdb 又做了 3 個(gè)操作：

（1）把匯編代碼中的第 10 行 INT3 替換為斷點(diǎn)鏈表中原來(lái)的代碼。

（2）把 PC 指針回退一步，也即是設(shè)置為指向第 10 行。

（3）繼續(xù)等待用戶的調(diào)試指令。

此刻 test 程序就暫停下來(lái)了，PC 指針指向第 10 行，也就是源碼中的第 5 行。

從我們調(diào)試者角度看，就是被調(diào)試程序在第 5 行斷點(diǎn)處暫停了下來(lái)，我們可以繼續(xù)輸入其他調(diào)試指令來(lái) debug，比如：查看變量值、查看堆棧信息、修改局部變量的值等等。

偷窺GDB如何實(shí)現(xiàn)單步指令next

還是以剛才的源代碼和匯編代碼為例，假設(shè)此時(shí)程序停止在源碼的第 6 行，即匯編代碼的第 11 行：

在調(diào)試窗口輸入單步執(zhí)行指令“next”，我們的目的是執(zhí)行一行代碼，也就是把源碼中第 6 行代碼執(zhí)行完，然后停止在第7行。

gdb 在接收到 “next” 執(zhí)行時(shí)，會(huì)計(jì)算出第 7 行源碼，應(yīng)該對(duì)應(yīng)到匯編代碼的第 14 行，于是 gdb 就控制匯編代碼中的 PC 指針一直執(zhí)行到第 13 行結(jié)束，也就是 PC 指向第 14 行時(shí)，就停止下來(lái)，然后繼續(xù)等待用戶輸入調(diào)試指令。

總結(jié)

通過 break 和 next 這2個(gè)調(diào)試指令，我們已經(jīng)明白了 gdb 中是如何處理調(diào)試指令的了。當(dāng)然，gdb 中的調(diào)試指令還有很多，包括更復(fù)雜的獲取堆棧信息、修改變量的值等等，有興趣的小伙伴可以繼續(xù)深入跟蹤。

后面我在寫 LUA 語(yǔ)言中的調(diào)試庫(kù)時(shí)，會(huì)更深入、詳細(xì)的討論這個(gè)問題，畢竟 LUA 語(yǔ)言更小巧、簡(jiǎn)單。我也會(huì)把 LUA 代碼中如何設(shè)置 PC 指針的代碼部分給小伙伴演示一下，這樣我們對(duì)于一門編程語(yǔ)言的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就會(huì)有更好的理解和掌握，也有可能錄一個(gè)視頻，這樣就能更好的講解 LUA 語(yǔ)言中的內(nèi)部細(xì)節(jié)。

審核編輯：劉清