我叫GDB，是一個(gè)調試器，程序員通過(guò)我可以調試他們編寫(xiě)的軟件，分析其中的bug。
作為一個(gè)調試器，調試分析是我的看家本領(lǐng)，像是給目標進(jìn)程設置斷點(diǎn)，或者讓它單步執行，又或是查看進(jìn)程中的變量、內存數據、CPU的寄存等等操作，我都手到擒來(lái)。
你只要輸入對應的命令，我就能幫助你調試你的程序。
我之所以有這些本事，都得歸功于一個(gè)強大的系統函數，它的名字叫ptrace。
long ptrace(
enum __ptrace_request request,
pid_t pid,
void *addr,
void *data
);
不管是開(kāi)始調試進(jìn)程，還是下斷點(diǎn)、讀寫(xiě)進(jìn)程數據、讀寫(xiě)寄存器，我都是通過(guò)這個(gè)函數來(lái)進(jìn)行，要是沒(méi)了它，我可就廢了。
它的第一個(gè)參數是一個(gè)枚舉型的變量，表示要執行的操作，我支持的調試命令很多都是靠它來(lái)實(shí)現的：
你可以通過(guò)我來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新的進(jìn)程調試，我會(huì )使用fork創(chuàng )建出一個(gè)新的子進(jìn)程，然后在子進(jìn)程中通過(guò)execv來(lái)執行你指定的程序。
不過(guò)在執行你的程序之前，我會(huì )在子進(jìn)程中調用ptrace函數，然后指定第一個(gè)參數為PTRACE_TRACEME，這樣一來(lái)，我就能監控子進(jìn)程中發(fā)生的事情了，也才能對你指定的程序進(jìn)行調試。
你也可以讓我attach到一個(gè)已經(jīng)運行的進(jìn)程分析，這樣的話(huà)，我直接調用ptrace函數，并且指定第一個(gè)參數為PTRACE_ATTACH就可以了，然后我就會(huì )變成那個(gè)進(jìn)程的父進(jìn)程。
具體要選擇哪種方式來(lái)調試，這就看你的需要了。不過(guò)不管哪種方式，最終我都會(huì )“接管”被調試的進(jìn)程，它里面發(fā)生的各種信號事件我都能得到通知，方便我對它進(jìn)行調試操作。
作為一個(gè)調試器，最常用的功能就是給程序下斷點(diǎn)了。
你可以通過(guò)break命令告訴我，你要在程序的哪個(gè)位置添加斷點(diǎn)。
當我收到你的命令之后，我會(huì )偷偷把被調試進(jìn)程中那個(gè)位置的指令修改為一個(gè)0xCC，這是一條特殊指令的CPU機器碼——int 3，是x86架構CPU專(zhuān)門(mén)用來(lái)支持調試的指令。
我的這個(gè)修改是偷偷進(jìn)行的，你如果通過(guò)我來(lái)查看被調試進(jìn)程的內存數據，或者在反匯編窗口查看那里的指令，會(huì )發(fā)現跟之前一樣，這其實(shí)是我使的障眼法，讓你看起來(lái)還是原來(lái)的數據，實(shí)際上已經(jīng)被我修改過(guò)了，你要是不信，你可以另外寫(xiě)個(gè)程序來(lái)查看那里的數據內容，看看我說(shuō)的是不是真的。
一旦被調試的進(jìn)程運行到那個(gè)位置，CPU執行這條特殊的指令時(shí)，會(huì )陷入內核態(tài)，然后取出中斷描述符表IDT中的3號表項中的處理函數來(lái)執行。
IDT中的內容，操作系統一啟動(dòng)早就安排好了，所以系統內核會(huì )拿到CPU的執行權，隨后內核會(huì )發(fā)送一個(gè)SIGTRAP信號給到被調試的進(jìn)程。
而因為我的存在，這個(gè)信號會(huì )被我截獲，我收到以后會(huì )檢查一下是不是程序員之前下的斷點(diǎn)，如果是的話(huà)，就會(huì )顯示斷點(diǎn)觸發(fā)了，然后等待程序員的下一步指示。
在沒(méi)有下一步指示之前，被調試的進(jìn)程都不會(huì )進(jìn)入就緒隊列被調度執行。
直到你使用continue命令告訴我繼續，我再偷偷把替換成int 3的指令恢復，然后我再次調用ptrace函數告訴操作系統讓它繼續運行。
這就是我給程序下斷點(diǎn)的秘密。
不知道你有沒(méi)有發(fā)現一個(gè)問(wèn)題，當我把替換的指令恢復后讓它繼續運行，以后就再也不會(huì )中斷在這里了，可程序員并沒(méi)有撤銷(xiāo)這個(gè)斷點(diǎn)，而是希望每次執行到這里都能中斷，這可怎么辦呢？
我有一個(gè)非常巧妙的辦法，就是讓它單步執行，只執行一條指令，然后又會(huì )中斷到我這里，但這時(shí)候我并不會(huì )通知程序員，而僅僅是把剛才恢復的斷點(diǎn)又給打上（替換指令），然后就繼續運行。這一切都發(fā)生的神不知鬼不覺(jué)，程序員根本察覺(jué)不到。
說(shuō)到單步執行，應該算是程序員調試程序的時(shí)候除了下斷點(diǎn)之外最常見(jiàn)的操作了，每一次只讓被調試的進(jìn)程運行一條指令，這樣方便跟蹤排查問(wèn)題。
你可能很好奇我是如何讓它單步執行的呢？
單步執行的實(shí)現可比下斷點(diǎn)簡(jiǎn)單多了，我不用去修改被調試進(jìn)程內存中的指令，只需要調用ptrace函數，傳遞一個(gè)PTRACE_SINGLESTEP參數就行了，操作系統會(huì )自動(dòng)把它設置為單步執行的模式。
我也很好奇操作系統是怎么辦到的，就去打聽(tīng)了一下。
原來(lái)x86架構CPU有一個(gè)標志寄存器，名叫eflags，它里面不止包含了程序運行的一些狀態(tài)，還有一些工作模式的設定。
其中就有一個(gè)TF標記，用來(lái)告訴CPU進(jìn)入單步執行模式，只要把這個(gè)標記為設置為1，CPU每執行一條指令，就會(huì )觸發(fā)一次調試異常，調試異常的向量號是1，所以觸發(fā)的時(shí)候，都會(huì )取出IDT中的1號表項中的處理函數來(lái)執行。
接下來(lái)的事情就跟命中斷點(diǎn)差不多了，我會(huì )截獲到內核發(fā)給被調試進(jìn)程的SIGTRAP信號，然后等待程序員的下一步指令。
如果你繼續進(jìn)行單步調試，那我便繼續重復這個(gè)過(guò)程。
如果你有程序的源代碼，你還可以進(jìn)行源碼級別的單步調試，不過(guò)這里的單步就指的是源代碼中的一行了。
這種情況下要稍微麻煩一點(diǎn)，我還要分析出每一行代碼對應的指令有哪些，然后用上面說(shuō)的單步執行指令的方法，一條條指令快速掠過(guò)，直到這一行代碼對應的指令都執行完成。
有的時(shí)候，直接給程序中代碼的位置下斷點(diǎn)并不能包治百病。比如程序員發(fā)現某個(gè)內存地址的內容老是莫名其妙被修改，想知道到底是哪個(gè)函數干的，這時(shí)候連地址都沒(méi)有，根本沒(méi)法下斷點(diǎn)。
單步執行也不行，那么多條指令，得執行到猴年馬月去才能找到？
不用擔心，我可以幫你解決這個(gè)煩惱。
你可以通過(guò)watch命令告訴我，讓我監視被調試進(jìn)程中某個(gè)內存地址的數據變化，一旦發(fā)現被修改，我都會(huì )把它給停下來(lái)報告給你。
猜猜我是如何做到的呢？
我可以用單步執行的方式，每執行一步，就檢查一下內容有沒(méi)有沒(méi)修改，一旦發(fā)現就停下來(lái)通知你們程序員。
不過(guò)這種方式實(shí)在是太麻煩了，會(huì )嚴重拖垮被調試進(jìn)程的性能。
好在x86架構的CPU提供了硬件斷點(diǎn)的能力，幫我解決了大問(wèn)題。
在x86架構CPU的內部?jì)戎昧艘唤M調試寄存器，從DR0到DR7，總共8個(gè)。通過(guò)在DR0-DR3中設置要監控的內存地址，然后在DR7中設置要監控的模式，是讀還是寫(xiě)，剩下的交給CPU就好了。
CPU執行的時(shí)候，一旦發(fā)現有符合調試寄存器中設置的情況發(fā)生時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生調試異常，然后取出IDT中的1號表項中的處理函數來(lái)執行，接下來(lái)的事情就跟單步調試產(chǎn)生的異常差不多了。
CPU內部依靠硬件電路來(lái)完成監控，可比我們軟件一條一條的檢查快多了！
現在，你不止可以使用watch命令來(lái)監控內存被修改，還可以使用rwatch、awatch命令來(lái)告訴我去監控內存被讀或者被寫(xiě)。
我叫GDB，是你調試程序的好伙伴，現在你該知道我是如何工作的了吧！
【完】
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