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Project-1 DEET 实现笔记

这东西虽然不需要啥特别的思考（基本上照着实验指导说明写就行了），但是写起来还是费了我一番功夫，故而还是记录一下实现的主要内容和遇到的问题。

总述

这个 project 是去用 ptrace 相关的系统调用来实现一个简单的调试器，主要只有断点和继续执行这两个功能，十分的简陋。关键的 crate 包（在实现过程中需要用到的）有以下两个：

• gimli：DWARF 调试信息的包装库，用来解析编译器塞进可执行文件里面的调试信息，我们（其实是 starter code 的编写者）需要用它来解析指令、行号、函数名等部分的对应关系。原有的 starter code 中用到的部分这个包的 API 发生了一些不兼容的变化，因此需要做一些适配工作。
• nix：Linux 系统 API 的封装，核心的 ptrace 便是由这个包提供。

相关知识

1. ptrace 建立的流程：父进程 fork，然后在子进程里面发出 TRACEME 请求，然后 execve 执行真正的需要被调试的程序。一般而言，这个 execve 执行完成后，子进程会立即收到一个 SIGTRAP 然后中断，等待父进程 waitpid 取得它的状态，决定下一步要干啥。
2. ptrace 本质上只是一个系统调用，

   long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid,
                void *addr, void *data);
   

   只不过 rust 的封装库把它变得更加的符合这门语言的风格。
3. waitpid：wait 系列的函数本质上是获取子进程的运行状态变化（而不是简单的退出）。除此之外，对于一个已经终止的子进程，这个调用还起到通知系统回收资源的作用。
4. 断点原理：最基本的断点是指令断点，原理是通过修改子进程的 TEXT 段内存，把需要断点的指令的第一个字节（指令地址对应的字节）设置为 0xCC，这个是一条 SYSCALL，然后执行到这里的时候就陷入内核了，然后内核检查一下发现是调试用的，就把进程停下来并返回一个 SIGTRAP。

每个 MileStone 的说明

Milestone 0

看代码，这个好像没啥可说的，就大概看一眼每个文件是在干什么。实际上在做实验的过程中，只需要关注 debugger_command.rs debugger.rs inferior.rs 这三个文件而已。

• debugger_command.rs：解析输入的动作命令并将参数打包进 enum 里面
• debugger.rs：程序的主要逻辑，一个大循环解析每次的命令并执行
• inferior.rs：每次运行的子进程的封装，实现一些直接操作进程的方法

Milestone 1

实现新建被调试的子进程并运行。也就是实现 run 命令。

主要两个问题：

1. 对 std::Command 的应用，除了 spawn 一个新的子进程之外，需要调用 pre_exec 使得子进程在 fork 出来之后会先调用 traceme，从而建立父进程对子进程的 ptrace 控制。
2. wait 相关的问题。在创建进程后，首先需要 wait 一下来确保子进程被 TRAP 住了（虽然不确认也问题不大）；然后就是在正式运行之后，需要 wait 到子进程停下来（无论是断点还是退出还是爆炸之类的），这个 wait 完了会返回几种状态，需要进行处理。

Milestone 2

实现中断的继续执行以及进程清理。这里的中断是 Ctrl+C 对于 ptrace 进程的特殊结果（一般是发一个 SIGTERM，而这里发的则是 SIGINT 使得它停下来）而不是断点。因此只需要简单的调用 ptrace 的 cont 就行。这里的 cont 操作和前面 run 用到的代码一样，因此可以封装成一个内部方法，这件事情我写到后面才想起来，一开始直接复制了两段一样的代码，简直像个傻子。

主要问题是：它要求实现一个功能，在中断之后再执行 run 命令，需要 kill 掉中断的进程然后重新起一个。问题在于我也不知道在 ptrace 的 kill 之后要调用一个 wait 啊。如果不调用 wait 会导致僵尸进程（因为死掉之后的 wait 主要是为了通知系统清理子进程），直到父进程结束才会被清理。更离谱的是， wait 返回的结果居然是 Signal(SIGKILL) 而不是一个 Exit(137)，如果 assert 的话就会爆炸。

如果用 ps 命令看的话，僵尸进程会在后面写一个 defunct。

Milestone 3

实现 backtrace。这个没有什么需要自己调的东西，把讲义上写的东西实现了就好。对于一个已经写过 OS 的人来说，栈回溯实在算不上什么难度，连伪代码都给出来了。

Milestone 4

在程序中断的时候，打印停下来的文件和行数。更简单了，wait 在返回 Signal 的时候，还会返回中断时的指令指针，直接调用 dwarf 的 get_line_from_addr 就行。

Milestone 5

实现断点设置和停止。也没有什么需要自己调的东西，对着讲义写就完事了。

不过这里可能是由于编译器版本的问题（也有可能是我自己的目录太深了？），无法打印源代码文件名和行号对应信息。原因是，有一部分信息本来是直接写在字段里面的，结果在我这里给挪到了单独的字符串区域 .debug_line_str 然后原来的地方填了个 offset，所以有一部分信息解读不出来。我于是就更新了一下 gimli 依赖库的版本，然后参考了手册和其他部分的实现，把这部分的解析给补上了，这样就能打印行号和文件名了。

Milestone 6

实现断点后继续执行。这是整个 project 的最难写的部分（虽然主要原因是我前面写的太随意导致我重构了一部分代码）。继续执行的原理不难理解，就是在断点之后先把被替换成 0xcc 的指令恢复，然后单步执行一条指令，然后把 0xcc 再插回去，最后 continue。

第一个问题，因为这里恢复指令需要记录原有指令被替换掉的字节，如果没有 run 的话，内存里面是啥也没有的，因此需要等 run 里面把子进程加载之后才能去记录这些内容，导致写的有点冗余。我没改前一个 milestone 的 breakpoint vector，直接新加了一个 hashmap，在 run 的时候首先遍历 vector，把里面的断点打进去然后把换出来的指令数据存进 map 里面。如果是中断状态下打断点，就直接打进去，不需要 continue 的时候再一起插一次断点了。不过这就引出了第二个问题。

第二个问题，我想把插入断点并记录 map 这个操作封装一个内部方法，然后在 run 之前就需要把 vector 里面的所有断点都做一次这个操作。用 for addr in &self.vec 遍历的时候，编译器报错了，它告诉我不能在这个里面调用具有 (&mut self) 参数的方法。会报错 &self 不可变借用，而函数需要一个可变借用。形象的解释就是：它怕我们在函数里修改 self.vec 从而导致出错，虽然实际上写的时候并不会去修改这个东西，但是在调用方法的时候，会要求完整取得引用的所有权。但是我们把这个函数里面的代码 inline 出来就没问题了（你这里不还是 self 的可变引用吗），这个好像和 self 的特殊性质以及 NLL 有关，我没细究，太复杂了。

第三个问题，因为在 continue 之前，需要判断上一次停下来是不是因为断点，所以需要记录上一次 wait 的状态结果。本来我是用 inferior 的 None 来标志程序已经结束的，这样已经记录了上次状态，感觉这个 None 判断就有点多余，应该直接用状态来判断（不过我懒得重构了）

Milestone 7

这个就没啥东西了，把 break 处理代码那边多写两个 if 就完事了。

附加任务？

没写，因为感觉意义不大（从练习 rust 的角度而言，如果是从一个 debugger 的角度，前面相当于啥也没有啊），不过看了一眼。

写一下 next line 指令的思路：因为我们有行号和指令的对应表，因此我们只需要不停地指令单步执行，直到下一条指令（其实就是 wait 返回的 %rip）不在同一行了。但是有可能会出现一行代码对应的指令不是连续的这种问题，不过好像 gdb 都没有很好的解决方案，所以无所谓了。

print 的思路：dwarf 里面给了每个函数对应的变量表，看上去只要查表打印就行了，但是实际情况会比较麻烦一些，比如要判断作用域，比如复合结构的解析（结构体成员、指针等）等等，需要去深入研究一下 API 和 DWARF 手册。