debugging - 调试器中的断点如何工作？

Question

断点是 GDB 等最流行的调试器支持的最酷的功能之一。但是断点是如何工作的？编译器做了哪些代码修改来实现断点？是否有任何特殊的硬件功能用于支持断点？

Answer 1

编译器不需要以任何方式“修改”二进制文件来支持断点。然而，重要的是:

编译器在可执行文件中包含足够的信息(不在代码本身中，而是在同一文件的特殊部分中)，以便调试器可以将用户想要调试的源代码与机器代码相关联。为了能够设置断点(除非您直接指定地址)，调试器需要知道的一件典型事情是程序函数和源代码行(在机器代码中)开始的位置(在哪个地址)。

编译器没有以任何方式优化代码，这使得无法将源代码和机器代码关联起来。通常，您需要调试未优化的代码或仅执行精心选择的优化的代码。

其余的工作然后由调试器本身执行。

软件断点不一定需要特殊的硬件功能。这里的调试器依赖于修改原始二进制文件(它是加载到内存的副本)。当您设置断点时，调试器会在断点位置放置特殊指令。这条特殊指令需要以某种方式让调试器检测到它(这条特殊指令)何时执行。这可以是一些导致某种中断/异常的指令，调试器可以 Hook ，或者一些处理调试单元控制的指令。如果它在某些操作系统下运行，则该操作系统需要支持修改正在运行的程序(例如 ptrace poke/peek)。 SW断点的缺点是调试器需要能够修改正在运行的程序，如果程序从某种只读存储器运行(在嵌入式世界中很常见)，则这是不可能的。

硬件断点(需要 CPU 支持)在不修改程序二进制文件的情况下实现类似的行为。这是特定于 CPU 的，但通常它允许您至少定义一个程序地址，在该地址处执行应该遇到断点。 CPU 不断地将当前 PC 与这些断点地址进行比较，一旦条件匹配，它就会中断执行。这些断点的数量总是有限的。