GDB 全称 the GNU Project debugger,主要用来调试用户态应用程序。
根据官方文档介绍,GDB 支持调试以下语言编写的应用程序:
Ada
Assembly
C
C++
D
Fortran
Go
Objective-C
OpenCL
Modula-2
Pascal
Rust
当然,最常用的还是用于调试 C/C++ 编写的应用程序。
本文并不是 GDB 的使用教程,所以不会对 GDB 的使用进行详细的介绍。本文的目的是,教会大家自己动手撸一个简易的 GDB。所以阅读本文前,最好先了解下 GDB 的使用。
在编程圈中流传一句话:不要重复造轮子。但是本人觉得,重复造轮子才能真正理解轮子的实现原理。
GDB 实现的核心技术是 ptrace() 系统调用。
如果你对 ptrace 的实现原理有兴趣,可以阅读这篇文章进行了解:《ptrace实现原理》
ptrace() 是一个复杂的系统调用,主要用于编写调试程序。你可以通过以下命令来查看 ptrace() 的介绍:
$ man ptrace
ptrace() 系统调用的功能很强大,但我们并不会用到所有的功能。所以,本文的约定是:在编写程序的过程中,使用到的功能才会进行详细介绍。
我们要实现一个有如下功能的 GDB:
可以对一个可执行程序进行调试。
可以在调试程序时,设置断点。
可以在调试程序时,打印程序的信息。
下面主要围绕这三个功能进行阐述。
我们使用 GDB 调试程序时,一般使用 GDB 直接加载程序的可执行文件,如下命令:
$ gdb ./example
上面命令的执行过程如下:
首先,GDB 调用 fork() 系统调用创建一个新的子进程。
然后,子进程会调用 exec() 系统调用加载程序的可执行文件到内存。
接着,子进程便进入停止状态(停止运行),并且等待 GDB 主进程发送调试命令。
流程如下图所示:
我们可以按照上面的流程来编写代码:
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调试程序一般分为 被调试进程 与 调试进程。
被调试进程:就是需要被调试的进程。
调试进程:主要用于向 被调试进程 发送调试命令。
实现代码如下:
int main(int argc, char** argv){ pid_t child_pid; if (argc < 2) { fprintf(stderr, 'Expected a program name as argument\n'); return -1; } child_pid = fork(); if (child_pid == 0) { // 1) 子进程:被调试进程 load_executable_file(argv[1]); // 加载可执行文件 } else if (child_pid > 0) { // 2) 父进程:调试进程 send_debug_command(child_pid); // 发送调试命令 } else { perror('fork'); return -1; } return 0;}
上面的代码执行流程如下:
主进程首先调用 fork() 系统调用创建一个子进程。
然后子进程会调用 load_executable_file() 函数加载要进行调试的程序,并且等待主进程发送调试命令。
最后主进程会调用 send_debug_command() 向被调试进程(子进程)发送调试命令。
所以,接下来我们主要介绍 load_executable_file() 和 send_debug_command() 这两个函数的实现过程。
前面我们说过,子进程主要用于加载被调试的程序,并且等待调试进程(主进程)发送调试命令,现在我们来分析下 load_executable_file() 函数的实现:
void load_executable_file(const char *target_file){ /* 1) 运行跟踪(debug)当前进程 */ ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0); /* 2) 加载并且执行被调试的程序可执行文件 */ execl(target_file, target_file, 0);}
load_executable_file() 函数的实现很简单,主要执行流程如下:
调用 ptrace(PTRACE_TRACEME...) 系统调用告知内核,当前进程可以被进行跟踪,也就是可以被调试。
调用 execl() 系统调用加载并且执行被调试的程序可执行文件。
首先,我们来看看 ptrace() 系统调用的原型定义:
long ptrace(long request, pid_t pid, void *addr, void *data);
下面我们对其各个参数进行说明:
request:向进程发送的调试命令,可以发送的命令很多。比如上面代码的 PTRACE_TRACEME 命令定义为 0,表示能够对进程进行调试。
pid:指定要对哪个进程发送调试命令的进程ID。
addr:如果要读取或者修改进程某个内存地址的内容,就可以通过这个参数指定。
data:如果要修改进程某个地址的内容,要修改的值可以通过这个参数指定,配合 addr 参数使用。
所以,代码:
ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0);
的作用就是告知内核,当前进程能够被跟踪(调试)。
接着,当调用 execl() 系统调用加载并且执行被调试的程序时,内核会把当前被调试的进程挂起(把运行状态设置为停止状态),等待主进程发送调试命令。
当进程的运行状态被设置为停止状态时,内核会停止对此进程进行调度,除非有其他进程把此进程的运行状态改为可运行状态。
我们来到最重要的一步了,就是要向被调试的进程发送调试命令。
用过 GDB 调试程序的同学都非常熟悉,我们可以向被调试的进程发送 单步调试、打印当前堆栈信息、查看某个变量的值 和 设置断点 等操作。
这些命令都可以通过 ptrace() 系统调用发送,下面我们介绍一下怎么使用 ptrace() 系统调用来对被调试进程进行调试操作。
void send_debug_command(pid_t debug_pid){ int status; int counter = 0; struct user_regs_struct regs; unsigned long long instr; printf('Tiny debugger started...\n'); /* 1) 等待被调试进程(子进程)发送信号 */ wait(&status); while (WIFSTOPPED(status)) { counter++; /* 2) 获取当前寄存器信息 */ ptrace(PTRACE_GETREGS, debug_pid, 0, ®s); /* 3) 获取 EIP 寄存器指向的内存地址的值 */ instr = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, debug_pid, regs.rip, 0); /* 打印当前执行中的指令信息 */ printf('[%u. EIP = 0x%08llx. instr = 0x%08llx\n', counter, regs.rip, instr); /* 4) 将被调试进程设置为单步调试,并且唤醒被调试进程 */ ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, debug_pid, 0, 0); /* 5) 等待被调试进程(子进程)发送信号 */ wait(&status); } printf('Tiny debugger exited...\n');}
send_debug_command() 函数的实现有点小复杂,我们来分析下这个函数的主要执行流程吧。
当被调试进程被内核挂起时,内核会向其父进程发送一个 SIGCHLD 信号,父进程可以通过调用 wait() 系统调用来捕获这个信息。
然后我们在一个循环内,跟踪进程执行指令的过程。
通过调用 ptrace(PTRACE_GETREGS...) 来获取当前进程所有寄存器的值。
通过调用 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT...) 来获取某个内存地址的值。
通过调用 ptrace(PTRACE_SINGLESTEP...) 将被调试进程设置为单步调试模式,这样当被调试进程每执行一条指令,都会进入停止状态。
整个调试流程可以归纳为以下的图片:
最后,我们来测试一下这个简单的调试工具的效果。我们使用以下命令编译程序:
$ gcc tdb.c -o. tdb
编译之后,我们会获得一个名为 tdb 的可执行文件。然后,我们可以使用以下命令来调试程序:
$ ./tdb 要调试的程序可执行文件
例如我们要调试 ls 命令这个程序,可以输入以下命令:
$ ./tdb /bin/lsTiny debugger started...[1. EIP = 0x7f47efd6a0d0. instr = 0xda8e8e78948[2. EIP = 0x7f47efd6a0d3. instr = 0xc4894900000da8e8[3. EIP = 0x7f47efd6ae80. instr = 0xe5894855fa1e0ff3[4. EIP = 0x7f47efd6ae84. instr = 0x89495741e5894855[5. EIP = 0x7f47efd6ae85. instr = 0xff89495741e58948[6. EIP = 0x7f47efd6ae88. instr = 0x415641ff89495741[7. EIP = 0x7f47efd6ae8a. instr = 0x4155415641ff8949[8. EIP = 0x7f47efd6ae8d. instr = 0x4853544155415641[9. EIP = 0x7f47efd6ae8f. instr = 0xec83485354415541[10. EIP = 0x7f47efd6ae91. instr = 0xf38ec8348535441[11. EIP = 0x7f47efd6ae93. instr = 0x48310f38ec834853[12. EIP = 0x7f47efd6ae94. instr = 0xc148310f38ec8348[13. EIP = 0x7f47efd6ae98. instr = 0x94820e2c148310f[14. EIP = 0x7f47efd6ae9a. instr = 0x48d0094820e2c148[15. EIP = 0x7f47efd6ae9e. instr = 0xcfe0158d48d00948[16. EIP = 0x7f47efd6aea1. instr = 0x480002cfe0158d48[17. EIP = 0x7f47efd6aea8. instr = 0x480002c5d1058948[18. EIP = 0x7f47efd6aeaf. instr = 0x490002cfd2058b48[19. EIP = 0x7f47efd6aeb6. instr = 0xd140252b4cd48949...[427299. EIP = 0x7fec65592b30. instr = 0x6616eb0000003cba[427300. EIP = 0x7fec65592b35. instr = 0x841f0f6616eb[427301. EIP = 0x7fec65592b4d. instr = 0xf0003d48050ff089[427302. EIP = 0x7fec65592b4f. instr = 0xfffff0003d48050fTiny debugger exited...
可见,运行 ls 这个命令需要执行 40 多万条指令。
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