| 導讀 | 變數是偷偷摸摸的。有時，它們會很高興地留在暫存器中，但是一轉頭就會跑到堆疊中。為了優化，編譯器可能會完全將它們從視窗中拋出。無論變數在記憶體中的如何移動，我們都需要一些方法在調試器中追蹤和操作它們。這篇文章將會教你如何處理偵錯器中的變量，並使用 libelfin 來示範一個簡單的實作。 |
在開始之前，請確保你使用的 libelfin 版本是我分支上的 fbreg。這包含了一些 hack 來支援獲取當前堆疊幀的基址並評估位置列表，這些都不是由原生的 libelfin 提供的。你可能需要給 GCC 傳遞 -gdwarf-2 參數使其產生相容的 DWARF 資訊。但是在實作之前，我將詳細說明 DWARF 5 最新規範中的位置編碼方式。如果你想要了解更多信息，那麼你可以從這裡獲取該標準。
DWARF 位置某一給定時刻的記憶體中變數的位置使用 DW_AT_location 屬性編碼在 DWARF 資訊中。位置描述可以是單一位置描述、複合位置描述或位置清單。
根據位置描述的種類，DW_AT_location 以三種不同的方式進行編碼。 exprloc 編碼簡單和複合的位置描述。它們由一個位元組長度組成，後面跟著一個 DWARF 表達式或位置描述。 loclist 和 loclistptr 的編碼位置列表，它們在 .debug_loclists 部分中提供索引或偏移量，該部分描述了實際的位置列表。
DWARF 表達式使用 DWARF 表達式計算變數的實際位置。這包括操作堆疊值的一系列操作。有很多 DWARF 操作可用，所以我不會詳細解釋它們。相反，我會從每一個表達式中給出一些例子，給你一個可用的東西。另外，不要害怕這些；libelfin將為我們處理所有這些複雜性。
DWARF 類型的表示需要足夠強大來為偵錯器使用者提供有用的變數表示。使用者經常希望能夠在應用程式層級進行調試，而不是在機器層級進行調試，並且他們需要了解他們的變數正在做什麼。
DWARF 類型與大多數其他調試資訊一起編碼在 DIE 中。它們可以具有指示其名稱、編碼、大小、位元組等的屬性。無數的類型標籤可用於表示指標、陣列、結構體、typedef 以及 C 或 C 程式中可以看到的任何其他內容。
以這個簡單的結構體為例：
struct test{
int i;
float j;
int k[42];
test* next;
};這個結構體的父 DIE 是這樣的：
< 1><0x0000002a> 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
上面說的是我們有一個叫做 test 的結構體，大小為 0xb8，在 test.cpp 的第 1 行宣告。接下來有許多描述成員的子 DIE。
< 2><0x00000032> DW_TAG_member DW_AT_name "i" DW_AT_type <0x00000063> DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp DW_AT_decl_line 0x00000002 DW_AT_data_member_location 0 < 2><0x0000003e> DW_TAG_member DW_AT_name "j" DW_AT_type <0x0000006a> DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp DW_AT_decl_line 0x00000003 DW_AT_data_member_location 4 < 2><0x0000004a> DW_TAG_member DW_AT_name "k" DW_AT_type <0x00000071> DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp DW_AT_decl_line 0x00000004 DW_AT_data_member_location 8 < 2><0x00000056> DW_TAG_member DW_AT_name "next" DW_AT_type <0x00000084> DW_AT_decl_file 0x00000001 test.cpp DW_AT_decl_line 0x00000005 DW_AT_data_member_location 176(as signed = -80)
每個成員都有一個名稱、一個類型（它是一個 DIE 偏移量）、一個宣告檔案和行，以及一個指向其成員所在的結構體的位元組偏移。其類型指向如下。
< 1><0x00000063> DW_TAG_base_type DW_AT_name "int" DW_AT_encoding DW_ATE_signed DW_AT_byte_size 0x00000004 < 1><0x0000006a> DW_TAG_base_type DW_AT_name "float" DW_AT_encoding DW_ATE_float DW_AT_byte_size 0x00000004 < 1><0x00000071> DW_TAG_array_type DW_AT_type <0x00000063> < 2><0x00000076> DW_TAG_subrange_type DW_AT_type <0x0000007d> DW_AT_count 0x0000002a < 1><0x0000007d> DW_TAG_base_type DW_AT_name "sizetype" DW_AT_byte_size 0x00000008 DW_AT_encoding DW_ATE_unsigned < 1><0x00000084> DW_TAG_pointer_type DW_AT_type <0x0000002a>
如你所見，我筆記型電腦上的 int 是一個 4 位元組的有符號整數類型，float是一個 4 位元組的浮點數。整數數組類型透過指向 int 類型作為其元素類型，sizetype（可以認為是 size_t）作為索引類型，它具有 2a 個元素。 test * 類型是 DW_TAG_pointer_type，它引用 test DIE。
實作簡單的變數讀取器如上所述，libelfin 將為我們處理大部分複雜性。但是，它並沒有實現用於表示可變位置的所有方法，並且在我們的程式碼中處理這些將變得非常複雜。因此，我現在選擇只支援 exprloc。請根據需要新增對更多類型表達式的支援。如果你真的有勇氣，請提交補丁到 libelfin 中來幫助完成必要的支援！
處理變數主要是將不同部分定位在記憶體或暫存器中，讀取或寫入與之前相同。為了簡單起見，我只會告訴你如何實作讀取。
首先我們需要告訴 libelfin 如何從我們的進程中讀取暫存器。我們建立一個繼承自 expr_context 的類別並使用 ptrace 來處理所有內容：
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 類別中的 read_variables 函數處理：
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入的函數，然後我們需要循環訪問該函數中的條目來尋找變數：
for (const auto& die : func) {
if (die.tag == DW_TAG::variable) {
//...
}
}我們透過尋找 DIE 中的 DW_AT_location 條目來取得位置資訊：
auto loc_val = die[DW_AT::location];
接著我們確保它是一個 exprloc，並請求 libelfin 來評估我們的表達式：
if (loc_val.get_type() == value::type::exprloc) {
ptrace_expr_context context {m_pid};
auto result = loc_val.as_exprloc().evaluate(&context);現在我們已經評估了表達式，我們需要讀取變數的內容。它可以在記憶體或暫存器中，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 << at_name(die) << " (0x" << std::hex << result.value << ") = "
<< value << std::endl;
break;
}
case expr_result::type::reg:
{
auto value = get_register_value_from_dwarf_register(m_pid, result.value);
std::cout << at_name(die) << " (reg " << result.value << ") = "
<< value << std::endl;
break;
}
default:
throw std::runtime_error{"Unhandled variable location"};
}你可以看到，我根據變數的類型，列印輸出了值而沒有解釋。希望透過這個程式碼，你可以看到如何支援編寫變量，或用給定的名字搜尋變數。
最後我們可以將它加入我們的命令解析器中：
else if(is_prefix(command, "variables")) {
read_variables();
}寫一些具有一些變數的小功能，不用最佳化並帶有偵錯資訊編譯它，然後查看是否可以讀取變數的值。嘗試寫入儲存變數的記憶體位址，並查看程式改變的行為。
已經有九篇文章了，剩下最後一篇！下一次我會討論一些你可能會感興趣的更高級的概念。現在你可以在這裡找到這個帖子的程式碼。
以上是探索Linux調試器中的變數處理技巧！的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
