调试器工作原理（二）：断点

调试器工作原理（二）：断点

这是调试器工作原理系列文章的第二部分，阅读本文前，请确保你已经读过第一部分。

关于本文

我将会演示如何在调试器中实现断点。断点是调试的两大利器之一，另一个是可以在被调试进程的内存中检查变量值。我们在系列的第一部分已经了解过值检查，但是断点对我们来说依然神秘。不过本文过后，它们就不再如此了。

软件中断

为了在 x86 架构机器上实现断点，软件中断（也被称作“陷阱”）被会派上用场。在我们深入细节之前，我想先大致解释一下中断和陷阱的概念。

CPU 有一条单独的执行流，一条指令接一条的执行（在更高的层面看是这样的，但是在底层的细节上来说，现在的许多 CPU 都会并行执行多个指令，这其中的一些指令就不是按照原本的顺序执行的）。为了能够处理异步的事件，如 IO 和 硬件定时器，CPU 使用了中断。硬件中断通常是一个特定的电子信号，并附加了一个特别的”响应电路”。该电路通知中断激活，并让 CPU 停止当前执行，保存状态，然后跳转到一个预定义的地址，也就是中断处理程序的位置。当处理程序完成其工作后，CPU 又从之前停止的地方重新恢复运行。

软件中断在规则上与硬件相似，但实际操作中有些不同。CPU 支持一些特殊的指令，来允许软件模拟出一个中断。当这样的一个指令被执行时，CPU 像对待一个硬件中断那样 —— 停止正常的执行流，保存状态，然后跳转到一个处理程序。这种“中断”使得许多现代 OS 的惊叹设计得以高效地实现（如任务调度，虚拟内存，内存保护，调试）。

许多编程错误（如被 0 除）也被 CPU 当做中断对待，常常也叫做“异常”， 这时候硬件和软件中断之间的界限就模糊了，很难说这种异常到底是硬件中断还是软件中断。但我已经偏离今天主题太远了，所以现在让我们回到断点上来。

int 3 理论

前面说了很多，现在简单来说断点就是一个部署在 CPU 上的特殊中断，叫 int 3。int 是一个 “中断指令”的 x86 术语，该指令是对一个预定义中断处理的调用。x86 支持 8 位的 int 指令操作数，这决定了中断的数量，所以理论上可以支持 256 个中断。前 32 个中断为 CPU 自己保留，而 int 3 就是本文关注的 —— 它被叫做 “调试器专用中断”。

避免更深的解释，我将引用“圣经”里一段话（这里说的“圣经”，当然指的是英特尔的体系结构软件开发者手册, 卷 2A）。

INT 3 指令生成一个以字节操作码（CC），用于调用该调试异常处理程序。（这个一字节格式是非常有用的，因为它可以用于使用断点来替换任意指令的第一个字节 ，包括哪些一字节指令，而不会覆写其它代码）

上述引用非常重要，但是目前去解释它还是为时过早。本文后面我们会回过头再看。

int 3 实践

没错，知道事物背后的理论非常不错，不过，这些理论到底意思是啥？我们怎样使用 int 3 部署断点？或者怎么翻译成通用的编程术语 —— 请给我看代码！

实际上，实现非常简单。一旦你的程序执行了 int 3 指令， OS 就会停止程序（ OS 是怎么做到像这样停止进程的？ OS 注册其 int 3 的控制程序到 CPU 即可，就这么简单）。在 Linux（这也是本文比较关心的地方） 上， OS 会发送给进程一个信号 —— SIGTRAP。

就是这样，真的。现在回想一下本系列的第一部分, 追踪进程（调试程序） 会得到其子进程（或它所连接的被调试进程）所得到的所有信号的通知，接下来你就知道了。

就这样, 没有更多的电脑架构基础术语了。该是例子和代码的时候了。

手动设置断点

现在我要演示在程序里设置断点的代码。我要使用的程序如下：

section    .text
    ; The _start symbol must be declared for the linker (ld)
    global _start

_start:

    ; Prepare arguments for the sys_write system call:
    ;   - eax: system call number (sys_write)
    ;   - ebx: file descriptor (stdout)
    ;   - ecx: pointer to string
    ;   - edx: string length
    mov     edx, len1
    mov     ecx, msg1
    mov     ebx, 1
    mov     eax, 4

    ; Execute the sys_write system call
    int     0x80

    ; Now print the other message
    mov     edx, len2
    mov     ecx, msg2
    mov     ebx, 1
    mov     eax, 4
    int     0x80

    ; Execute sys_exit
    mov     eax, 1
    int     0x80

section    .data

msg1    db      'Hello,', 0xa
len1    equ     $ - msg1
msg2    db      'world!', 0xa
len2    equ     $ - msg2

我现在在使用汇编语言，是为了当我们面对 C 代码的时候，能清楚一些编译细节。上面代码做的事情非常简单，就是在一行打印出 “hello,”，然后在下一行打印出 “world!”。这与之前文章中的程序非常类似。

现在我想在第一次打印和第二次打印之间设置一个断点。我们看到在第一条 int 0x80 ，其后指令是 mov edx, len2。（等等，再次 int？是的，Linux 使用 int 0x80 来实现用户进程到系统内核的系统调用。用户将系统调用的号码及其参数放到寄存器，并执行 int 0x80。然后 CPU 会跳到相应的中断处理程序，其中， OS 注册了一个过程，该过程查看寄存器并决定要执行的系统调用。）首先，我们需要知道该指令所映射的地址。运行 objdump -d:

traced_printer2:     file format elf32-i386

Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .text         00000033  08048080  08048080  00000080  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .data         0000000e  080490b4  080490b4  000000b4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA

Disassembly of section .text:

08048080 <.text>:
 8048080:     ba 07 00 00 00          mov    $0x7,%edx
 8048085:     b9 b4 90 04 08          mov    $0x80490b4,%ecx
 804808a:     bb 01 00 00 00          mov    $0x1,%ebx
 804808f:     b8 04 00 00 00          mov    $0x4,%eax
 8048094:     cd 80                   int    $0x80
 8048096:     ba 07 00 00 00          mov    $0x7,%edx
 804809b:     b9 bb 90 04 08          mov    $0x80490bb,%ecx
 80480a0:     bb 01 00 00 00          mov    $0x1,%ebx
 80480a5:     b8 04 00 00 00          mov    $0x4,%eax
 80480aa:     cd 80                   int    $0x80
 80480ac:     b8 01 00 00 00          mov    $0x1,%eax
 80480b1:     cd 80                   int    $0x80

所以，我们要设置断点的地址是 0x8048096。等等，这不是调试器工作的真实姿势，对吧？真正的调试器是在代码行和函数上设置断点，而不是赤裸裸的内存地址？完全正确，但是目前我们仍然还没到那一步，为了更像真正的调试器一样设置断点，我们仍不得不首先理解一些符号和调试信息。所以现在，我们就得面对内存地址。

在这点上，我真想又偏离一下主题。所以现在你有两个选择，如果你真的感兴趣想知道为什么那个地址应该是 0x8048096，它代表着什么，那就看下面的部分。否则你只是想了解断点，你可以跳过这部分。

题外话 —— 程序地址和入口

坦白说，0x8048096 本身没多大意义，仅仅是可执行程序的 text 部分开端偏移的一些字节。如果你看上面导出来的列表，你会看到 text 部分从地址 0x08048080 开始。这告诉 OS 在分配给进程的虚拟地址空间里，将该地址映射到 text 部分开始的地方。在 Linux 上面，这些地址可以是绝对地址（例如，当可执行程序加载到内存中时它不做重定位），因为通过虚拟地址系统，每个进程获得自己的一块内存，并且将整个 32 位地址空间看做自己的（称为 “线性” 地址）。

如果我们使用 readelf 命令检查 ELF 文件头部（ELF，可执行和可链接格式，是 Linux 上用于对象文件、共享库和可执行程序的文件格式），我们会看到：

$ readelf -h traced_printer2
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Intel 80386
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x8048080
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          220 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         2
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         4
  Section header string table index: 3

注意头部里的 Entry point address，它同样指向 0x8048080。所以我们在系统层面解释该 elf 文件的编码信息，它意思是：

  1. 映射 text 部分（包含所给的内容）到地址 0x8048080
  2. 从入口 —— 地址 0x8048080 处开始执行

但是，为什么是 0x8048080 呢？事实证明是一些历史原因。一些 Google 的结果把我引向源头，宣传每个进程的地址空间的前 128M 是保留在栈里的。128M 对应为 0x8000000，该地址是可执行程序其他部分可以开始的地方。而 0x8048080，比较特别，是 Linux ld 链接器使用的默认入口地址。该入口可以通过给 ld 传递 -Ttext 参数改变。

总结一下，这地址没啥特别的，我们可以随意修改它。只要 ELF 可执行文件被合理的组织，并且头部里的入口地址与真正的程序代码（text 部分）开始的地址匹配，一切都没问题。

用 int 3 在调试器中设置断点

为了在被追踪进程的某些目标地址设置一个断点，调试器会做如下工作：

  1. 记住存储在目标地址的数据
  2. 用 int 指令替换掉目标地址的第一个字节

然后，当调试器要求 OS 运行该进程的时候（通过上一篇文章中提过的 PTRACE_CONT），进程就会运行起来直到遇到 int 3，此处进程会停止运行，并且 OS 会发送一个信号给调试器。调试器会收到一个信号表明其子进程（或者说被追踪进程）停止了。调试器可以做以下工作：

  1. 在目标地址，用原来的正常执行指令替换掉 int 3 指令
  2. 将被追踪进程的指令指针回退一步。这是因为现在指令指针位于刚刚执行过的 int 3 之后。
  3. 允许用户以某些方式与进程交互，因为该进程仍然停止在特定的目标地址。这里你的调试器可以让你取得变量值，调用栈等等。
  4. 当用户想继续运行，调试器会小心地把断点放回目标地址去（因为它在第 1 步时被移走了），除非用户要求取消该断点。

让我们来看看，这些步骤是如何翻译成具体代码的。我们会用到第一篇里的调试器 “模板”（fork 一个子进程并追踪它）。无论如何，文末会有一个完整样例源代码的链接

/* Obtain and show child's instruction pointer */
ptrace(PTRACE_GETREGS, child_pid, 0, &regs);
procmsg("Child started. EIP = 0x%08x\n", regs.eip);

/* Look at the word at the address we're interested in */
unsigned addr = 0x8048096;
unsigned data = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, child_pid, (void*)addr, 0);
procmsg("Original data at 0x%08x: 0x%08x\n", addr, data);

这里调试器从被追踪的进程中取回了指令指针，也检查了在 0x8048096 的字。当开始追踪运行文章开头的汇编代码，将会打印出：

[13028] Child started. EIP = 0x08048080
[13028] Original data at 0x08048096: 0x000007ba

目前为止都看起来不错。接下来：

/* Write the trap instruction 'int 3' into the address */
unsigned data_with_trap = (data & 0xFFFFFF00) | 0xCC;
ptrace(PTRACE_POKETEXT, child_pid, (void*)addr, (void*)data_with_trap);

/* See what's there again... */
unsigned readback_data = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, child_pid, (void*)addr, 0);
procmsg("After trap, data at 0x%08x: 0x%08x\n", addr, readback_data);

注意到 int 3 是如何被插入到目标地址的。此处打印：

[13028] After trap, data at 0x08048096: 0x000007cc

正如预料的那样 —— 0xba 被 0xcc 替换掉了。现在调试器运行子进程并等待它在断点处停止：

/* Let the child run to the breakpoint and wait for it to
** reach it
*/
ptrace(PTRACE_CONT, child_pid, 0, 0);

wait(&wait_status);
if (WIFSTOPPED(wait_status)) {
    procmsg("Child got a signal: %s\n", strsignal(WSTOPSIG(wait_status)));
}
else {
    perror("wait");
    return;
}

/* See where the child is now */
ptrace(PTRACE_GETREGS, child_pid, 0, &regs);
procmsg("Child stopped at EIP = 0x%08x\n", regs.eip);

这里打印出：

Hello,
[13028] Child got a signal: Trace/breakpoint trap
[13028] Child stopped at EIP = 0x08048097

注意到 “Hello,” 在断点前打印出来了 —— 完全如我们计划的那样。同时注意到子进程停止的地方 —— 刚好就是单字节中断指令后面。

最后，如早先诠释的那样，为了让子进程继续运行，我们得做一些工作。我们用原来的指令替换掉中断指令，并且让进程从这里继续之前的运行。

/* Remove the breakpoint by restoring the previous data
** at the target address, and unwind the EIP back by 1 to
** let the CPU execute the original instruction that was
** there.
*/
ptrace(PTRACE_POKETEXT, child_pid, (void*)addr, (void*)data);
regs.eip -= 1;
ptrace(PTRACE_SETREGS, child_pid, 0, &regs);

/* The child can continue running now */
ptrace(PTRACE_CONT, child_pid, 0, 0);

这会使子进程继续打印出 “world！”，然后退出。

注意，我们在这里没有恢复断点。通过在单步调试模式下，运行原来的指令，然后将中断放回去，并且只在运行 PTRACE_CONT 时做到恢复断点。文章稍后会展示 debuglib 如何做到这点。

更多关于 int 3

现在可以回过头去看看 int 3 和因特尔手册里那个神秘的说明，原文如下：

这个一字节格式是非常有用的，因为它可以用于使用断点来替换任意指令的第一个字节 ，包括哪些一字节指令，而不会覆写其它代码

int 指令在 x86 机器上占两个字节 —— 0xcd 紧跟着中断数（细心的读者可以在上面列出的转储中发现 int 0x80 翻译成了 cd 80）。int 3 被编码为 cd 03，但是为其还保留了一个单字节指令 —— 0xcc。

为什么这样呢？因为这可以允许我们插入一个断点，而不需要重写多余的指令。这非常重要，考虑下面的代码：

    .. some code ..
    jz    foo
    dec   eax
foo:
    call  bar
    .. some code ..

假设你想在 dec eax 这里放置一个断点。这对应一个单字节指令（操作码为 0x48）。由于替换断点的指令长于一个字节，我们不得不强制覆盖掉下个指令（call）的一部分，这就会篡改 call 指令，并很可能导致一些完全不合理的事情发生。这样一来跳转到 foo 分支的 jz foo 指令会导致什么？就会不在 dec eax 这里停止，CPU 径直去执行后面一些无效的指令了。

而有了单字节的 int 3 指令，这个问题就解决了。 1 字节是在 x86 上面所能找到的最短指令，这样我们可以保证仅改变我们想中断的指令。

封装一些晦涩的细节

很多上述章节样例代码的底层细节，都可以很容易封装在方便使用的 API 里。我已经做了很多封装的工作，将它们都放在一个叫做 debuglib 的通用库里 —— 文末可以去下载。这里我仅仅是想展示它的用法示例，但是绕了一圈。下面我们将追踪一个用 C 写的程序。

追踪一个 C 程序地址和入口

目前为止，为了简单，我把注意力放在了目标汇编代码。现在是时候往上一个层次，去看看我们如何追踪一个 C 程序。

事实证明并不是非常难 —— 找到放置断点位置有一点难罢了。考虑下面样例程序：

#include <stdio.h>

void do_stuff()
{
    printf("Hello, ");
}

int main()
{
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
        do_stuff();
    printf("world!\n");
    return 0;
}

假设我想在 do_stuff 入口处放置一个断点。我会先使用 objdump 反汇编一下可执行文件，但是打印出的东西太多。尤其看到很多无用，也不感兴趣的 C 程序运行时的初始化代码。所以我们仅看一下 do_stuff 部分：

080483e4 <do_stuff>:
 80483e4:     55                      push   %ebp
 80483e5:     89 e5                   mov    %esp,%ebp
 80483e7:     83 ec 18                sub    $0x18,%esp
 80483ea:     c7 04 24 f0 84 04 08    movl   $0x80484f0,(%esp)
 80483f1:     e8 22 ff ff ff          call   8048318 <puts@plt>
 80483f6:     c9                      leave
 80483f7:     c3                      ret

那么，我们将会把断点放在 0x080483e4，这是 do_stuff 第一条指令执行的地方。而且，该函数是在循环里面调用的，我们想要在断点处一直停止执行直到循环结束。我们将会使用 debuglib 来简化该流程，下面是完整的调试函数：

void run_debugger(pid_t child_pid)
{
    procmsg("debugger started\n");

    /* Wait for child to stop on its first instruction */
    wait(0);
    procmsg("child now at EIP = 0x%08x\n", get_child_eip(child_pid));

    /* Create breakpoint and run to it*/
    debug_breakpoint* bp = create_breakpoint(child_pid, (void*)0x080483e4);
    procmsg("breakpoint created\n");
    ptrace(PTRACE_CONT, child_pid, 0, 0);
    wait(0);

    /* Loop as long as the child didn't exit */
    while (1) {
        /* The child is stopped at a breakpoint here. Resume its
        ** execution until it either exits or hits the
        ** breakpoint again.
        */
        procmsg("child stopped at breakpoint. EIP = 0x%08X\n", get_child_eip(child_pid));
        procmsg("resuming\n");
        int rc = resume_from_breakpoint(child_pid, bp);

        if (rc == 0) {
            procmsg("child exited\n");
            break;
        }
        else if (rc == 1) {
            continue;
        }
        else {
            procmsg("unexpected: %d\n", rc);
            break;
        }
    }

    cleanup_breakpoint(bp);
}

为了避免修改 EIP 标志位和目的进程的内存空间的麻烦，我们仅需要调用 create_breakpoint，resume_from_breakpoint 和 cleanup_breakpoint。让我们来看看追踪上面的 C 代码样例会输出什么：

$ bp_use_lib traced_c_loop
[13363] debugger started
[13364] target started. will run 'traced_c_loop'
[13363] child now at EIP = 0x00a37850
[13363] breakpoint created
[13363] child stopped at breakpoint. EIP = 0x080483E5
[13363] resuming
Hello,
[13363] child stopped at breakpoint. EIP = 0x080483E5
[13363] resuming
Hello,
[13363] child stopped at breakpoint. EIP = 0x080483E5
[13363] resuming
Hello,
[13363] child stopped at breakpoint. EIP = 0x080483E5
[13363] resuming
Hello,
world!
[13363] child exited

如预期一样！

样例代码

这里是本文用到的完整源代码文件。在归档中你可以找到：

  • debuglib.h 和 debuglib.c - 封装了调试器的一些内部工作的示例库
  • bp_manual.c - 这篇文章开始部分介绍的“手动”设置断点的方法。一些样板代码使用了 debuglib 库。
  • bpuselib.c - 大部分代码使用了 debuglib 库，用于在第二个代码范例中演示在 C 程序的循环中追踪。

引文

在准备本文的时候，我搜集了如下的资源和文章：

via: http://eli.thegreenplace.net/2011/01/27/how-debuggers-work-part-2-breakpoints

作者：Eli Bendersky 译者：wi-cuckoo 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国 荣誉推出