开发一个 Linux 调试器(二):断点

2024年 7月 19日 70.2k 0

开发一个 Linux 调试器(二):断点-1

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,我们会学习在 x86 Linux 上断点是如何工作的,以及如何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。

  • 准备环境
  • 断点
  • 寄存器和内存
  • Elves 和 dwarves
  • 源码和信号
  • 源码层逐步执行
  • 源码层断点
  • 调用栈
  • 读取变量 10.之后步骤
  • 断点是如何形成的?

    有两种类型的断点:硬件和软件。硬件断点通常涉及到设置与体系结构相关的寄存器来为你产生断点,而软件断点则涉及到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,而且可以设置任意多断点。在 x86 机器上任一时刻你最多只能有 4 个硬件断点,但是它们能让你在读取或者写入给定地址时触发,而不是只有当代码执行到那里的时候。

    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。我们之前已经用它为我们的程序设置跟踪并继续程序的执行,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 中断向量表 ( interrupt vector table ) ,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 覆盖了 mov 指令的第一个字节,它是 init 3 的指令代码。

    开发一个 Linux 调试器(二):断点-2

    谜题的最后一个部分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的程序的信号。这里我们也可以这样做:设置断点、继续执行程序、调用 waitpid 并等待直到发生 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,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 enabledisable 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,以便后面恢复该代码;我们不想忘了执行用户(原来)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_PEEKDATA 请求告知 ptrace 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。最后我们通过 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 所覆盖的原始数据。

    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:

  • 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 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 m_breakpoints;
    }
    

    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

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