gdb的基本工作原理是什么?

On October 29, 2010, in linux, linux系统, by sponge

还是面某M的时候,面试官问我:“用过gdb么?” 答:“用过,调了两年bug了”。“那好,给我解释下gdb是怎么工作的?或者说跟内核什么地方有关系?”。

是阿,gdb凭什么可以调试一个程序?凭什么能够接管一个程序的运行?我以前也想过这样的问题,但是后来居然忘记去查看了。我想到了我们的二进制翻译器,想到了intel的pin,Dynamo。这些都是将翻译后的代码放到codecache中去运行,然后接管整个程序的执行。gdb是不是也一样呢?

如果真是这样,为什么我记得用gdb跑一个程序,这个程序会有一个单独的进程?gdb的attach功能又是怎么实现的?

想了想,我还是没有答上来。面试就是由这么一个又一个细节的小杯具最后汇集成一个大杯具。

那么,gdb到底是凭什么接管的一个进程的执行呢?其实,很简单,通过一个系统调用:ptrace。ptrace系统调用的原型如下:

#include <sys/ptrace.h>
 
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid,
                   void *addr, void *data);

说明:ptrace系统调用提供了一种方法来让父进程可以观察和控制其它进程的执行,检查和改变其核心映像以及寄存器。 主要用来实现断点调试和系统调用跟踪。(man手册)

其实,说到这里,一切原理层面应该都比较明朗了(且先不去管内核中是怎么实现ptrace的)。gdb就是调用这个系统调用,然后通过一些参数来控制其他进程的执行的。

下面我们来看ptrace函数中request参数的一些主要选项:

PTRACE_TRACEME: 表示本进程将被其父进程跟踪,交付给这个进程的所有信号,即使信号是忽略处理的(除SIGKILL之外),都将使其停止,父进程将通过wait()获知这一情况。

这是什么意思呢?我们可以结合到gdb上来看。如果在gdb中run一个程序,首先gdb会fork一个子进程,然后该子进程调用ptrace系统调用,参数就是PTRACE_TRACEME,然后调用一个exec执行程序。基本过程是这样,细节上可能会有出入。需要注意的是,这个选项PTRACE_TRACEME是由子进程调用的而不是父进程!

以下选项都是由父进程调用:

PTRACE_ATTACH:attach到一个指定的进程,使其成为当前进程跟踪的子进程,而子进程的行为等同于它进行了一次PTRACE_TRACEME操作。但是,需要注意的是,虽然当前进程成为被跟踪进程的父进程,但是子进程使用getppid()的到的仍将是其原始父进程的pid。

这下子gdb的attach功能也就明朗了。当你在gdb中使用attach命令来跟踪一个指定进程/线程的时候,gdb就自动成为改进程的父进程,而被跟踪的进程则使用了一次PTRACE_TRACEME,gdb也就顺理成章的接管了这个进程。

PTRACE_CONT:继续运行之前停止的子进程。可同时向子进程交付指定的信号。

这个选项呢,其实就相当于gdb中的continue命令。当你使用continue命令之后,一个被gdb停止的进程就能继续执行下去,如果有信号,信号也会被交付给子进程。

除了以上这几个选项,ptrace还有很多其他选项,可以在linux下阅读man手册:man ptrace

需要注意的另一点是,使用gdb调试过多线程/进程的人应该都知道,当子进程遇到一个信号的时候,gdb就会截获这个信号,并将子进程暂停下来。这是为什么呢?

实际上,在使用参数为PTRACE_TRACEME或PTRACE_ATTACH的ptrace系统调用建立调试关系之后,交付给目标程序的任何信号(除SIGKILL之外)都将被gdb先行截获,或在远程调试中被gdbserver截获并通知gdb。gdb因此有机会对信号进行相应处理,并根据信号的属性决定在继续目标程序运行时是否将之前截获的信号实际交付给目标程序。

参考资料:gdb的基本工作原理
《gdb pocket reference》

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8 Responses to “gdb的基本工作原理是什么?”

  1. 后恋~ says:

    看着像wordpress啊~应该不是drupal吧???

  2. matriz says:

    关键的地方是一个处理器位被置位才会有gdb的调试

  3. flagman says:

    sponge兄,你对gdb的工作原理的认识比较深入;最近,我想写个Windows平台下的针对WinDbg(Windows下的最佳调试工具,无论用户态还是内核态都支持,且有GUI)的扩展,现实中比较好的例子就是SOS,挺有意思的,可以相当程度的减轻广大程序员开发过程中调试工作的痛楚,呵呵。

    不知兄台对此有何见教?

    • sponge says:

      @flagman 呵呵,只是简单的看了下基本的工作机制,谈不上深入。windbg不了解,也没怎么用过,所以给不出什么像样的见解 呵呵

      • flagman says:

        这就是GNU的Linux平台上带来的有利一面了,很多重要的工具,包括平台本身都是open source的;这样如果需要了解相关的实现原理和工作机制就非常方便。。。

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