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分类: C/C++

2015-06-23 12:47:22

一个程序的完成过程一般是编码、编译、运行的过程,当然这是一个理想的过程,所有的开发几乎都不可能是一帆风顺的,总会有些意想不到的错误,这时便需要调试,良好的调试器应该每一个程序员的必备。 那么调试器使用的调试信息是从哪里来的呢?答案简单的很,是从编译后的文件中来的(注意这里编译的时候要使用特定的编译选项,如VC使用debug模式,GCC使用”-g”)。在编译的时候,编译器会从源文件中收集大量的信息,例如变量名、变量类型、变量所在行号、函数名、函数参数、函数的地址范围、行号和地址的对应关系等等,然后按照一种特定的格式写入到编译后的文件中。调试的时候,调试器便从文件中读取并解析这些信息,以产生人们可读性比较强的信息。简单的说,调试信息就是在机器码和对应的源代码之间建立一座桥梁,大大方便和提高了调试程序的能力。 调试信息一般都是按照什么样的格式存放的呢?主要有下面几种:stabs,COFF,PE-COFF,OMF,IEEE-695和DWARF。其中DWARF在Linux中被普遍使用,我们主要分析它。 DWARF的全称是"Debugging With Attributed Record Formats",遵从GNU FDL授权。现在已经有dwarf1,dwarf2,dwarf3三个版本。 Dwarf最初被贝尔实验室设计用来供Unix System V的sdb调试器使用,并且在1989年被Unix国际化部门的PLSIG (Programming Languages Special Interest Group)标准化成为dwarf1.0。但是dwarf1有着很多明显的缺点,于是PLSIG继续开发,改正了缺点,并加入了对C++等语言的支持,并在1990年正式公布了dwarf2的标准草案。但是稍后由于一些原因,PLSIG被解散,dwarf的开发陷入到多个并不合作的组织中间,造成dwarf2的一些实现细节要取决于特定的编译器。这种情况一直持续到1999年,开发工作受到了来自实现对HP/Inter IA-64架构提供较好支持的推动,成立了dwarf委员会,dwarf的原作者担任负责人, 开始了dwarf3的开发,并于2006年1月份推出dwarf3.0,同时为了解决分歧,dwarf委员会加入了自由标准组织,在自由标准组织与来自Linux基金会的OSDL(Open Source Development Labs)合并后,dwarf重返独立状态并创建了自己的网站:dwarfstd.org 这三个版本中,dwarf2对dwarf1的改变很大,dwarf3大多是对dwarf2的扩充。 现在dwarf已经是一种独立的标准,可以支持C、C++、JAVA、Fortran等语言。 在了解了dwarf的历史之后,来看一下如何查看dwarf所包含的调试信息内容,并在下一篇文章中介绍这些内容的具体意思。查看内容的工具常用的有四种: 1. readelf GNU提供的二进制工具,功能很多,并不限于读dwarf信息 2. gdb 这个就不用多说了吧,^_^ 3. drawfdump 是一个被打包在libdwarf内的程序 4. libdwarf 是一个封装好的C库API,用来读取dwarf信息 在这里我们主要使用readelf工具。 先写一个简单的C程序,如下:
1:  
2: int add(int, int);
3:  
4: int main()
5: ...{
6: int i, j;
7:  
8: for(i = 0; i < 100; i += 5, j = i * 5)
9: add(i, j);
10:  
11: return 0;
12: }
13:  
14: int add(int a, int b)
15: ...{
16: return a + b;
17: }
然后使用gcc –g hello.c –o hello编译。生成hello文件。 Hello文件是elf格式的,elf一般由多个节(section)组成,不熟悉的可以看前面两篇关于elf文件格式的文章。调试信息被包含在某几个节中,如果是用dwarf2格式编译的,这些节的名字一般是以.debug开头,如.debug_info,.debug_line,.debug_frame等,如果是用dwarf1格式编译的,这些节的名字一般是.debug,.line等。现在的编译器默认大多数是dwarf2格式编译,当然可以通过gcc的编译选项改变。 现在来看hello文件都包含了哪些调试信息。 首先来看都包含了哪些调试节,使用readelf –S hello命令,产生如下输出(已删一些无关内容):
[Nr] Name Type Addr Off Size 
  
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 
  
[ 1] .text PROGBITS 00008000 008000 0006c4 
  
[ 2] .ARM.exidx ARM_EXIDX 000086c4 0086c4 000008 
  
[ 3] .data PROGBITS 000086d0 0086d0 000520 
  
[ 4] .bss NOBITS 00008bf0 008bf0 000020 
  
[ 5] .debug_aranges PROGBITS 00000000 008bf0 000020 
  
[ 6] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 008c10 000023 
  
[ 7] .debug_info PROGBITS 00000000 008c33 0000cc 
  
[ 8] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 008cff 00006b 
  
[ 9] .debug_line PROGBITS 00000000 008d6a 00003e 
  
[10] .debug_frame PROGBITS 00000000 008da8 000188 
  
[11] .debug_loc PROGBITS 00000000 008f30 000054 
  
[12] .ARM.attributes ARM_ATTRIBUTES 00000000 008f84 000010 
  
[13] .comment PROGBITS 00000000 008f94 000032 
  
[14] .shstrtab STRTAB 00000000 008fc6 0000ad 
  
[15] .symtab SYMTAB 00000000 00931c 000780 
  
[16] .strtab STRTAB 00000000 009a9c 000416
  
可见一共包含了17个节,其中7个调试信息的节。 在来看一下各个调试信息节包含的内容,使用readelf –w* hello命令,*是调试节名的第一个字母,如-wi就是查看.debug_info节的内容,-wl就是查看.debug_line节的内容。 对于一个调试文件,.debug_info和.debug_line节是必须有的,其他的不见得。同时也可以自己写链接脚本实现对所有节(不局限于调试节)的控制,如指定每个节的基址等。 .debug_info基本包含了一个源文件内部的大部分信息,如函数、参数、变量、类型等等,我们看一下它的输出:
The section .debug_info contains:
  
Compilation Unit @ offset 0x0:
  
Length: 200
  
Version: 2
  
Abbrev Offset: 0
  
Pointer Size: 4
  
<0>: Abbrev Number: 1 (DW_TAG_compile_unit)
  
DW_AT_stmt_list : 0 
  
DW_AT_high_pc : 0x8248 
  
DW_AT_low_pc : 0x81ac 
  
DW_AT_producer : GNU C 4.1.1 
  
DW_AT_language : 1 (ANSI C)
  
DW_AT_name : hello.c 
  
DW_AT_comp_dir : C:\Program Files\CodeSourcery\Sourcery G++\bin 
  
<1><5c>: Abbrev Number: 2 (DW_TAG_subprogram)
  
DW_AT_sibling : <92> 
  
DW_AT_external : 1 
  
DW_AT_name : main 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 5 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_low_pc : 0x81ac 
  
DW_AT_high_pc : 0x8214 
  
DW_AT_frame_base : 0 (location list)
  
<2><79>: Abbrev Number: 3 (DW_TAG_variable)
  
DW_AT_name : i 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 6 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_location : 2 byte block: 91 68 (DW_OP_fbreg: -24)
  
<2><85>: Abbrev Number: 3 (DW_TAG_variable)
  
DW_AT_name : j 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 6 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_location : 2 byte block: 91 6c (DW_OP_fbreg: -20)
  
<1><92>: Abbrev Number: 4 (DW_TAG_base_type)
  
DW_AT_name : int 
  
DW_AT_byte_size : 4 
  
DW_AT_encoding : 5 (signed)
  
<1><99>: Abbrev Number: 5 (DW_TAG_subprogram)
  
DW_AT_external : 1 
  
DW_AT_name : add 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 15 
  
DW_AT_prototyped : 1 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_low_pc : 0x8214 
  
DW_AT_high_pc : 0x8248 
  
DW_AT_frame_base : 0x2a (location list)
  
<2>: Abbrev Number: 6 (DW_TAG_formal_parameter)
  
DW_AT_name : a 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 14 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_location : 2 byte block: 91 6c (DW_OP_fbreg: -20)
  
<2>: Abbrev Number: 6 (DW_TAG_formal_parameter)
  
DW_AT_name : b 
  
DW_AT_decl_file : 1 
  
DW_AT_decl_line : 14 
  
DW_AT_type : <92> 
  
DW_AT_location : 2 byte block: 91 68 (DW_OP_fbreg: -24)
 
.debug_line包含了所有地址和源文件行的对应信息,内容如下:  
Dump of debug contents of section .debug_line:
  
Length: 58
  
DWARF Version: 2
  
Prologue Length: 30
  
Minimum Instruction Length: 2
  
Initial value of 'is_stmt': 1
  
Line Base: -5
  
Line Range: 14
  
Opcode Base: 13
  
Opcodes:
  
Opcode 1 has 0 args
  
Opcode 2 has 1 args
  
Opcode 3 has 1 args
  
Opcode 4 has 1 args
  
Opcode 5 has 1 args
  
Opcode 6 has 0 args
  
Opcode 7 has 0 args
  
Opcode 8 has 0 args
  
Opcode 9 has 1 args
  
Opcode 10 has 0 args
  
Opcode 11 has 0 args
  
Opcode 12 has 1 args
  
The Directory Table is empty.
  
The File Name Table:
  
Entry Dir Time Size Name
  
1 0 0 0 hello.c
  
Line Number Statements:
  
Extended opcode 2: set Address to 0x81ac
  
Special opcode 9: advance Address by 0 to 0x81ac and Line by 4 to 5
  
Special opcode 120: advance Address by 16 to 0x81bc and Line by 3 to 8
  
Special opcode 90: advance Address by 12 to 0x81c8 and Line by 1 to 9
  
Special opcode 88: advance Address by 12 to 0x81d4 and Line by -1 to 8
  
Advance PC by constant 34 to 0x81f6
  
Special opcode 78: advance Address by 10 to 0x8200 and Line by 3 to 11
  
Special opcode 34: advance Address by 4 to 0x8204 and Line by 1 to 12
  
Special opcode 120: advance Address by 16 to 0x8214 and Line by 3 to 15
  
Special opcode 174: advance Address by 24 to 0x822c and Line by 1 to 16
  
Special opcode 90: advance Address by 12 to 0x8238 and Line by 1 to 17
  
Advance PC by 16 to 0x8248
  
Extended opcode 1: End of Sequence
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