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gdb 如何工作?

作者: Julia Evans 译者: LCTT Lv Feng

| 2018-03-29 09:39   收藏: 2    

大家好!今天,我开始进行我的 ruby 堆栈跟踪项目,我发觉我现在了解了一些关于 gdb 内部如何工作的内容。

最近,我使用 gdb 来查看我的 Ruby 程序,所以,我们将对一个 Ruby 程序运行 gdb 。它实际上就是一个 Ruby 解释器。首先,我们需要打印出一个全局变量的地址:ruby_current_thread

获取全局变量

下面展示了如何获取全局变量 ruby_current_thread 的地址:

$ sudo gdb -p 2983
(gdb) p & ruby_current_thread
$2 = (rb_thread_t **) 0x5598a9a8f7f0 <ruby_current_thread>

变量能够位于的地方有heapstack或者程序的文本段text。全局变量是程序的一部分。某种程度上,你可以把它们想象成是在编译的时候分配的。因此,我们可以很容易的找出全局变量的地址。让我们来看看,gdb 是如何找出 0x5598a9a87f0 这个地址的。

我们可以通过查看位于 /proc 目录下一个叫做 /proc/$pid/maps 的文件,来找到这个变量所位于的大致区域。

$ sudo cat /proc/2983/maps | grep bin/ruby
5598a9605000-5598a9886000 r-xp 00000000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby
5598a9a86000-5598a9a8b000 r--p 00281000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby
5598a9a8b000-5598a9a8d000 rw-p 00286000 00:32 323508                     /home/bork/.rbenv/versions/2.1.6/bin/ruby

所以,我们看到,起始地址 5598a96050000x5598a9a8f7f0 很像,但并不一样。哪里不一样呢,我们把两个数相减,看看结果是多少:

(gdb) p/x 0x5598a9a8f7f0 - 0x5598a9605000
$4 = 0x48a7f0

你可能会问,这个数是什么?让我们使用 nm 来查看一下程序的符号表。

sudo nm /proc/2983/exe | grep ruby_current_thread
000000000048a7f0 b ruby_current_thread

我们看到了什么?能够看到 0x48a7f0 吗?是的,没错。所以,如果我们想找到程序中一个全局变量的地址,那么只需在符号表中查找变量的名字,然后再加上在 /proc/whatever/maps 中的起始地址,就得到了。

所以现在,我们知道 gdb 做了什么。但是,gdb 实际做的事情更多,让我们跳过直接转到…

解引用指针

(gdb) p ruby_current_thread
$1 = (rb_thread_t *) 0x5598ab3235b0

我们要做的下一件事就是解引用 ruby_current_thread 这一指针。我们想看一下它所指向的地址。为了完成这件事,gdb 会运行大量系统调用比如:

ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 2983, 0x5598a9a8f7f0, [0x5598ab3235b0]) = 0

你是否还记得 0x5598a9a8f7f0 这个地址?gdb 会问:“嘿,在这个地址中的实际内容是什么?”。2983 是我们运行 gdb 这个进程的 ID。gdb 使用 ptrace 这一系统调用来完成这一件事。

好极了!因此,我们可以解引用内存并找出内存地址中存储的内容。有一些有用的 gdb 命令,比如 x/40w 变量x/40b 变量 分别会显示给定地址的 40 个字/字节。

描述结构

一个内存地址中的内容可能看起来像下面这样。可以看到很多字节!

(gdb) x/40b ruby_current_thread
0x5598ab3235b0: 16  -90 55  -85 -104    85  0   0
0x5598ab3235b8: 32  47  50  -85 -104    85  0   0
0x5598ab3235c0: 16  -64 -55 115 -97 127 0   0
0x5598ab3235c8: 0   0   2   0   0   0   0   0
0x5598ab3235d0: -96 -83 -39 115 -97 127 0   0

这很有用,但也不是非常有用!如果你是一个像我一样的人类并且想知道它代表什么,那么你需要更多内容,比如像这样:

(gdb) p *(ruby_current_thread)
$8 = {self = 94114195940880, vm = 0x5598ab322f20, stack = 0x7f9f73c9c010,
    stack_size = 131072, cfp = 0x7f9f73d9ada0, safe_level = 0,    raised_flag = 0,
    last_status = 8, state = 0, waiting_fd = -1, passed_block = 0x0,
    passed_bmethod_me = 0x0, passed_ci = 0x0,    top_self = 94114195612680,
    top_wrapper = 0, base_block = 0x0, root_lep = 0x0, root_svar = 8, thread_id =
    140322820187904,

太好了。现在就更加有用了。gdb 是如何知道这些所有域的,比如 stack_size ?是从 DWARF 得知的。DWARF 是存储额外程序调试数据的一种方式,从而像 gdb 这样的调试器能够工作的更好。它通常存储为二进制的一部分。如果我对我的 Ruby 二进制文件运行 dwarfdump 命令,那么我将会得到下面的输出:

(我已经重新编排使得它更容易理解)

DW_AT_name                  "rb_thread_struct"
DW_AT_byte_size             0x000003e8
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "self"
  DW_AT_type                  <0x00000579>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 0
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "vm"
  DW_AT_type                  <0x0000270c>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 8
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "stack"
  DW_AT_type                  <0x000006b3>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 16
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "stack_size"
  DW_AT_type                  <0x00000031>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 24
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "cfp"
  DW_AT_type                  <0x00002712>
  DW_AT_data_member_location  DW_OP_plus_uconst 32
DW_TAG_member
  DW_AT_name                  "safe_level"
  DW_AT_type                  <0x00000066>

所以,ruby_current_thread 的类型名为 rb_thread_struct,它的大小为 0x3e8 (即 1000 字节),它有许多成员项,stack_size 是其中之一,在偏移为 24 的地方,它有类型 3131 是什么?不用担心,我们也可以在 DWARF 信息中查看。

< 1><0x00000031>    DW_TAG_typedef
                      DW_AT_name                  "size_t"
                      DW_AT_type                  <0x0000003c>
< 1><0x0000003c>    DW_TAG_base_type
                      DW_AT_byte_size             0x00000008
                      DW_AT_encoding              DW_ATE_unsigned
                      DW_AT_name                  "long unsigned int"

所以,stack_size 具有类型 size_t,即 long unsigned int,它是 8 字节的。这意味着我们可以查看该栈的大小。

如果我们有了 DWARF 调试数据,该如何分解:

  1. 查看 ruby_current_thread 所指向的内存区域
  2. 加上 24 字节来得到 stack_size
  3. 读 8 字节(以小端的格式,因为是在 x86 上)
  4. 得到答案!

在上面这个例子中是 131072(即 128 kb)。

对我来说,这使得调试信息的用途更加明显。如果我们不知道这些所有变量所表示的额外的元数据,那么我们无法知道存储在 0x5598ab325b0 这一地址的字节是什么。

这就是为什么你可以为你的程序单独安装程序的调试信息,因为 gdb 并不关心从何处获取这些额外的调试信息。

DWARF 令人迷惑

我最近阅读了大量的 DWARF 知识。现在,我使用 libdwarf,使用体验不是很好,这个 API 令人迷惑,你将以一种奇怪的方式初始化所有东西,它真的很慢(需要花费 0.3 秒的时间来读取我的 Ruby 程序的所有调试信息,这真是可笑)。有人告诉我,来自 elfutils 的 libdw 要好一些。

同样,再提及一点,你可以查看 DW_AT_data_member_location 来查看结构成员的偏移。我在 Stack Overflow 上查找如何完成这件事,并且得到这个答案。基本上,以下面这样一个检查开始:

dwarf_whatform(attrs[i], &form, &error);
    if (form == DW_FORM_data1 || form == DW_FORM_data2
        form == DW_FORM_data2 || form == DW_FORM_data4
        form == DW_FORM_data8 || form == DW_FORM_udata) {

继续往前。为什么会有 800 万种不同的 DW_FORM_data 需要检查?发生了什么?我没有头绪。

不管怎么说,我的印象是,DWARF 是一个庞大而复杂的标准(可能是人们用来生成 DWARF 的库稍微不兼容),但是我们有的就是这些,所以我们只能用它来工作。

我能够编写代码并查看 DWARF ,这就很酷了,并且我的代码实际上大多数能够工作。除了程序崩溃的时候。我就是这样工作的。

展开栈路径

在这篇文章的早期版本中,我说过,gdb 使用 libunwind 来展开栈路径,这样说并不总是对的。

有一位对 gdb 有深入研究的人发了大量邮件告诉我,为了能够做得比 libunwind 更好,他们花费了大量时间来尝试如何展开栈路径。这意味着,如果你在程序的一个奇怪的中间位置停下来了,你所能够获取的调试信息又很少,那么你可以对栈做一些奇怪的事情,gdb 会尝试找出你位于何处。

gdb 能做的其他事

我在这儿所描述的一些事请(查看内存,理解 DWARF 所展示的结构)并不是 gdb 能够做的全部事情。阅读 Brendan Gregg 的昔日 gdb 例子,我们可以知道,gdb 也能够完成下面这些事情:

  • 反汇编
  • 查看寄存器内容

在操作程序方面,它可以:

  • 设置断点,单步运行程序
  • 修改内存(这是一个危险行为)

了解 gdb 如何工作使得当我使用它的时候更加自信。我过去经常感到迷惑,因为 gdb 有点像 C,当你输入 ruby_current_thread->cfp->iseq,就好像是在写 C 代码。但是你并不是在写 C 代码。我很容易遇到 gdb 的限制,不知道为什么。

知道使用 DWARF 来找出结构内容给了我一个更好的心智模型和更加正确的期望!这真是极好的!


via: https://jvns.ca/blog/2016/08/10/how-does-gdb-work/

作者:Julia Evans 译者:ucasFL 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出

LCTT 译者
Lv Feng 🌟🌟🌟🌟🌟
共计翻译: 71.0 篇 | 共计贡献: 736
贡献时间:2016-09-14 -> 2018-09-20
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