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變量是偷偷摸摸的。有時(shí)，它們會(huì)很高興地呆在寄存器中，但是一轉(zhuǎn)頭就會(huì)跑到堆棧中。為了優(yōu)化，編譯器可能會(huì)完全將它們從窗口中拋出。無(wú)論變量在內(nèi)存中的如何移動(dòng)，我們都需要一些方法在調(diào)試器中跟蹤和操作它們。這篇文章將會(huì)教你如何處理調(diào)試器中的變量，并使用 libelfin 演示一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)。
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系列文章索引
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準(zhǔn)備環(huán)境
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斷點(diǎn)
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寄存器和內(nèi)存
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ELF 和 DWARF
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源碼和信號(hào)
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源碼級(jí)逐步執(zhí)行
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源碼級(jí)斷點(diǎn)
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堆棧展開(kāi)
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處理變量
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高級(jí)話題
在開(kāi)始之前，請(qǐng)確保你使用的 libelfin 版本是我分支上的 fbreg。這包含了一些 hack 來(lái)支持獲取當(dāng)前堆棧幀的基址并評(píng)估位置列表，這些都不是由原生的 libelfin 提供的。你可能需要給 GCC 傳遞 -gdwarf-2 參數(shù)使其生成兼容的 DWARF 信息。但是在實(shí)現(xiàn)之前，我將詳細(xì)說(shuō)明 DWARF 5 最新規(guī)范中的位置編碼方式。如果你想要了解更多信息，那么你可以從這里獲取該標(biāo)準(zhǔn)。
DWARF 位置
某一給定時(shí)刻的內(nèi)存中變量的位置使用 DW_AT_location 屬性編碼在 DWARF 信息中。位置描述可以是單個(gè)位置描述、復(fù)合位置描述或位置列表。
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簡(jiǎn)單位置描述：描述了對(duì)象的一個(gè)連續(xù)的部分（通常是所有部分）的位置。簡(jiǎn)單位置描述可以描述可尋址存儲(chǔ)器或寄存器中的位置，或缺少位置（具有或不具有已知值）。比如，DW_OP_fbreg -32： 一個(gè)整個(gè)存儲(chǔ)的變量 – 從堆棧幀基址開(kāi)始的32個(gè)字節(jié)。
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復(fù)合位置描述：根據(jù)片段描述對(duì)象，每個(gè)對(duì)象可以包含在寄存器的一部分中或存儲(chǔ)在與其他片段無(wú)關(guān)的存儲(chǔ)器位置中。比如， DW_OP_reg3 DW_OP_piece 4 DW_OP_reg10 DW_OP_piece 2：前四個(gè)字節(jié)位于寄存器 3 中，后兩個(gè)字節(jié)位于寄存器 10 中的一個(gè)變量。
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位置列表：描述了具有有限生存期或在生存期內(nèi)更改位置的對(duì)象。比如：
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[ 0] DW_OP_reg0
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[ 1] DW_OP_reg3
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[ 2] DW_OP_reg2
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根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，位置在寄存器之間移動(dòng)的變量。
根據(jù)位置描述的種類，DW_AT_location 以三種不同的方式進(jìn)行編碼。exprloc 編碼簡(jiǎn)單和復(fù)合的位置描述。它們由一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度組成，后跟一個(gè) DWARF 表達(dá)式或位置描述。loclist 和 loclistptr 的編碼位置列表，它們?cè)?.debug_loclists 部分中提供索引或偏移量，該部分描述了實(shí)際的位置列表。
DWARF 表達(dá)式
使用 DWARF 表達(dá)式計(jì)算變量的實(shí)際位置。這包括操作堆棧值的一系列操作。有很多 DWARF 操作可用，所以我不會(huì)詳細(xì)解釋它們。相反，我會(huì)從每一個(gè)表達(dá)式中給出一些例子，給你一個(gè)可用的東西。另外，不要害怕這些；libelfin將為我們處理所有這些復(fù)雜性。
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字面編碼
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將無(wú)符號(hào)值壓入堆棧
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將地址操作數(shù)壓入堆棧
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將字面量壓入堆棧
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DW_OP_lit0、DW_OP_lit1……DW_OP_lit31
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DW_OP_addr
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DW_OP_constu
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寄存器值
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將給定寄存器的內(nèi)容加上給定的偏移量壓入堆棧
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壓入在堆棧幀基址找到的值，偏移給定值
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DW_OP_fbreg
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DW_OP_breg0、DW_OP_breg1…… DW_OP_breg31
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堆棧操作
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將堆棧頂部視為內(nèi)存地址，并將其替換為該地址的內(nèi)容
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復(fù)制堆棧頂部的值
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DW_OP_dup
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DW_OP_deref
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算術(shù)和邏輯運(yùn)算
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與 DW_OP_and 相同，但是會(huì)添加值
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彈出堆棧頂部的兩個(gè)值，并壓回它們的邏輯 AND
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DW_OP_and
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DW_OP_plus
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控制流操作
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條件分支：如果堆棧的頂部不是 0，則通過(guò) offset 在表達(dá)式中向后或向后跳過(guò)
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彈出前兩個(gè)值，比較它們，并且如果條件為真，則壓入 1，否則為 0
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DW_OP_le、DW_OP_eq、DW_OP_gt 等
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DW_OP_bra
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輸入轉(zhuǎn)化
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將堆棧頂部的值轉(zhuǎn)換為不同的類型，它由給定偏移量的 DWARF 信息條目描述
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DW_OP_convert
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特殊操作
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什么都不做！
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DW_OP_nop
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DWARF 類型
DWARF 類型的表示需要足夠強(qiáng)大來(lái)為調(diào)試器用戶提供有用的變量表示。用戶經(jīng)常希望能夠在應(yīng)用程序級(jí)別進(jìn)行調(diào)試，而不是在機(jī)器級(jí)別進(jìn)行調(diào)試，并且他們需要了解他們的變量正在做什么。
DWARF 類型與大多數(shù)其他調(diào)試信息一起編碼在 DIE 中。它們可以具有指示其名稱、編碼、大小、字節(jié)等的屬性。無(wú)數(shù)的類型標(biāo)簽可用于表示指針、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、typedef 以及 C 或 C++ 程序中可以看到的任何其他內(nèi)容。
以這個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)體為例：
struct test{
int i;
float j;
int k[42];
test* next;
};
這個(gè)結(jié)構(gòu)體的父 DIE 是這樣的：
DW_TAG_structure_type
DW_AT_name "test"
DW_AT_byte_size 0x000000b8
DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp
DW_AT_decl_line 0x00000001
上面說(shuō)的是我們有一個(gè)叫做 test 的結(jié)構(gòu)體，大小為 0xb8，在 test.cpp 的第 1 行聲明。接下來(lái)有許多描述成員的子 DIE。
DW_TAG_member
DW_AT_name "i"
DW_AT_type
DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp
DW_AT_decl_line 0x00000002
DW_AT_data_member_location 0
DW_TAG_member
DW_AT_name "j"
DW_AT_type
DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp
DW_AT_decl_line 0x00000003
DW_AT_data_member_location 4
DW_TAG_member
DW_AT_name "k"
DW_AT_type
DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp
DW_AT_decl_line 0x00000004
DW_AT_data_member_location 8
DW_TAG_member
DW_AT_name "next"
DW_AT_type
DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp
DW_AT_decl_line 0x00000005
DW_AT_data_member_location 176(as signed = -80)
每個(gè)成員都有一個(gè)名稱、一個(gè)類型（它是一個(gè) DIE 偏移量）、一個(gè)聲明文件和行，以及一個(gè)指向其成員所在的結(jié)構(gòu)體的字節(jié)偏移。其類型指向如下。
DW_TAG_base_type
DW_AT_name "int"
DW_AT_encoding DW_ATE_signed
DW_AT_byte_size 0x00000004
DW_TAG_base_type
DW_AT_name "float"
DW_AT_encoding DW_ATE_float
DW_AT_byte_size 0x00000004
DW_TAG_array_type
DW_AT_type
DW_TAG_subrange_type
DW_AT_type
DW_AT_count 0x0000002a
DW_TAG_base_type
DW_AT_name "sizetype"
DW_AT_byte_size 0x00000008
DW_AT_encoding DW_ATE_unsigned
DW_TAG_pointer_type
DW_AT_type
如你所見(jiàn)，我筆記本電腦上的 int 是一個(gè) 4 字節(jié)的有符號(hào)整數(shù)類型，float是一個(gè) 4 字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)。整數(shù)數(shù)組類型通過(guò)指向 int 類型作為其元素類型，sizetype（可以認(rèn)為是 size_t）作為索引類型，它具有 2a 個(gè)元素。 test * 類型是 DW_TAG_pointer_type，它引用 test DIE。
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的變量讀取器
如上所述，libelfin 將為我們處理大部分復(fù)雜性。但是，它并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)用于表示可變位置的所有方法，并且在我們的代碼中處理這些將變得非常復(fù)雜。因此，我現(xiàn)在選擇只支持 exprloc。請(qǐng)根據(jù)需要添加對(duì)更多類型表達(dá)式的支持。如果你真的有勇氣，請(qǐng)?zhí)峤谎a(bǔ)丁到 libelfin 中來(lái)幫助完成必要的支持！
處理變量主要是將不同部分定位在存儲(chǔ)器或寄存器中，讀取或?qū)懭肱c之前一樣。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我只會(huì)告訴你如何實(shí)現(xiàn)讀取。
首先我們需要告訴 libelfin 如何從我們的進(jìn)程中讀取寄存器。我們創(chuàng)建一個(gè)繼承自 expr_context 的類并使用 ptrace 來(lái)處理所有內(nèi)容：
class ptrace_expr_context : public dwarf::expr_context {
public:
ptrace_expr_context (pid_t pid) : m_pid{pid} {}
dwarf::taddr reg (unsigned regnum) override {
return get_register_value_from_dwarf_register(m_pid, regnum);
}
dwarf::taddr pc() override {
struct user_regs_struct regs;
ptrace(PTRACE_GETREGS, m_pid, nullptr, ®s);
return regs.rip;
}
dwarf::taddr deref_size (dwarf::taddr address, unsigned size) override {
//TODO take into account size
return ptrace(PTRACE_PEEKDATA, m_pid, address, nullptr);
}
private:
pid_t m_pid;
};
讀取將由我們 debugger 類中的 read_variables 函數(shù)處理：
void debugger::read_variables() {
using namespace dwarf;
auto func = get_function_from_pc(get_pc());
//...
}
我們上面做的第一件事是找到我們目前進(jìn)入的函數(shù)，然后我們需要循環(huán)訪問(wèn)該函數(shù)中的條目來(lái)尋找變量：
for (const auto& die : func) {
if (die.tag == DW_TAG::variable) {
//...
}
}
我們通過(guò)查找 DIE 中的 DW_AT_location 條目獲取位置信息：
auto loc_val = die[DW_AT::location];
接著我們確保它是一個(gè) exprloc，并請(qǐng)求 libelfin 來(lái)評(píng)估我們的表達(dá)式：
if (loc_val.get_type() == value::type::exprloc) {ptrace_expr_context context {m_pid};auto result = loc_val.as_exprloc().evaluate(&context);
現(xiàn)在我們已經(jīng)評(píng)估了表達(dá)式，我們需要讀取變量的內(nèi)容。它可以在內(nèi)存或寄存器中，因此我們將處理這兩種情況：
switch (result.location_type) {
case expr_result::type::address:
{
auto value = read_memory(result.value);
std::cout " (0x" ") = "
break;
}
case expr_result::type::reg:
{
auto value = get_register_value_from_dwarf_register(m_pid, result.value);
std::cout " (reg " ") = "
break;
}
default:
throw std::runtime_error{"Unhandled variable location"};
}
你可以看到，我根據(jù)變量的類型，打印輸出了值而沒(méi)有解釋。希望通過(guò)這個(gè)代碼，你可以看到如何支持編寫(xiě)變量，或者用給定的名字搜索變量。
最后我們可以將它添加到我們的命令解析器中：
else if(is_prefix(command, "variables")) {
read_variables();
}
測(cè)試一下
編寫(xiě)一些具有一些變量的小功能，不用優(yōu)化并帶有調(diào)試信息編譯它，然后查看是否可以讀取變量的值。嘗試寫(xiě)入存儲(chǔ)變量的內(nèi)存地址，并查看程序改變的行為。
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