dwarf调试信息格之式入门

一个程序的完成过程一般是编码、编译、运行的过程，当然这是一个理想的过程，所有的开发几乎都不可能是一帆风顺的，总会有些意想不到的错误，这时便需要调试，良好的调试器应该每一个程序员的必备。
那么调试器使用的调试信息是从哪里来的呢？答案简单的很，是从编译后的文件中来的(注意这里编译的时候要使用特定的编译选项，如VC使用debug模式，GCC使用”-g”)。在编译的时候，编译器会从源文件中收集大量的信息，例如变量名、变量类型、变量所在行号、函数名、函数参数、函数的地址范围、行号和地址的对应关系等等，然后按照一种特定的格式写入到编译后的文件中。调试的时候，调试器便从文件中读取并解析这些信息，以产生人们可读性比较强的信息。简单的说，调试信息就是在机器码和对应的源代码之间建立一座桥梁，大大方便和提高了调试程序的能力。
调试信息一般都是按照什么样的格式存放的呢？主要有下面几种：stabs，COFF，PE-COFF，OMF，IEEE-695和DWARF。其中DWARF在Linux中被普遍使用，我们主要分析它。
DWARF的全称是"Debugging With Attributed Record Formats"，遵从GNU FDL授权。现在已经有dwarf1，dwarf2，dwarf3三个版本。
Dwarf最初被贝尔实验室设计用来供Unix System V的sdb调试器使用，并且在1989年被Unix国际化部门的PLSIG (Programming Languages Special Interest Group)标准化成为dwarf1.0。但是dwarf1有着很多明显的缺点，于是PLSIG继续开发，改正了缺点，并加入了对C++等语言的支持，并在1990年正式公布了dwarf2的标准草案。但是稍后由于一些原因，PLSIG被解散，dwarf的开发陷入到多个并不合作的组织中间，造成dwarf2的一些实现细节要取决于特定的编译器。这种情况一直持续到1999年，开发工作受到了来自实现对HP/Inter IA-64架构提供较好支持的推动，成立了dwarf委员会，dwarf的原作者担任负责人，
开始了dwarf3的开发，并于2006年1月份推出dwarf3.0，同时为了解决分歧，dwarf委员会加入了自由标准组织，在自由标准组织与来自Linux基金会的OSDL(Open Source Development Labs)合并后，dwarf重返独立状态并创建了自己的网站：dwarfstd.org。

这三个版本中，dwarf2对dwarf1的改变很大，dwarf3大多是对dwarf2的扩充。
现在dwarf已经是一种独立的标准，可以支持C、C++、JAVA、Fortran等语言。
在了解了dwarf的历史之后，来看一下如何查看dwarf所包含的调试信息内容，并在下一篇文章中介绍这些内容的具体意思。查看内容的工具常用的有四种：
1. readelf
GNU提供的二进制工具，功能很多，并不限于读dwarf信息
2. gdb
这个就不用多说了吧，^_^
3. drawfdump
是一个被打包在libdwarf内的程序
4. libdwarf
是一个封装好的C库API，用来读取dwarf信息
在这里我们主要使用readelf工具。
先写一个简单的C程序，如下：




int add(int, int);




int main()




...{


int i, j;




for(i = 0; i < 100; i += 5, j = i * 5)


add(i, j);




return 0;


}




int add(int a, int b)




...{


return a + b;


}



然后使用gcc –g hello.c –o hello编译。生成hello文件。

Hello文件是elf格式的，elf一般由多个节(section)组成，不熟悉的可以看前面两篇关于elf文件格式的文章。调试信息被包含在某几个节中，如果是用dwarf2格式编译的，这些节的名字一般是以.debug开头，如.debug_info，.debug_line，.debug_frame等，如果是用dwarf1格式编译的，这些节的名字一般是.debug，.line等。现在的编译器默认大多数是dwarf2格式编译，当然可以通过gcc的编译选项改变。
现在来看hello文件都包含了哪些调试信息。
首先来看都包含了哪些调试节，使用readelf –S hello命令，产生如下输出(已删一些无关内容)：
[Nr] Name Type Addr Off Size
[ 0] NULL 00000000 000000 000000
[ 1] .text PROGBITS 00008000 008000 0006c4
[ 2] .ARM.exidx ARM_EXIDX 000086c4 0086c4 000008
[ 3] .data PROGBITS 000086d0 0086d0 000520
[ 4] .bss NOBITS 00008bf0 008bf0 000020
[ 5] .debug_aranges PROGBITS 00000000 008bf0 000020
[ 6] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 008c10 000023
[ 7] .debug_info PROGBITS 00000000 008c33 0000cc
[ 8] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 008cff 00006b
[ 9] .debug_line PROGBITS 00000000 008d6a 00003e
[10] .debug_frame PROGBITS 00000000 008da8 000188
[11] .debug_loc PROGBITS 00000000 008f30 000054
[12] .ARM.attributes ARM_ATTRIBUTES 00000000 008f84 000010
[13] .comment PROGBITS 00000000 008f94 000032
[14] .shstrtab STRTAB 00000000 008fc6 0000ad
[15] .symtab SYMTAB 00000000 00931c 000780
[16] .strtab STRTAB 00000000 009a9c 000416
可见一共包含了17个节，其中7个调试信息的节。
在来看一下各个调试信息节包含的内容，使用readelf –w* hello命令，*是调试节名的第一个字母，如-wi就是查看.debug_info节的内容，-wl就是查看.debug_line节的内容。
对于一个调试文件，.debug_info和.debug_line节是必须有的，其他的不见得。同时也可以自己写链接脚本实现对所有节(不局限于调试节)的控制，如指定每个节的基址等。
.debug_info基本包含了一个源文件内部的大部分信息，如函数、参数、变量、类型等等，我们看一下它的输出：
The section .debug_info contains:

Compilation Unit @ offset 0x0:
Length: 200
Version: 2
Abbrev Offset: 0
Pointer Size: 4
<0><b>: Abbrev Number: 1 (DW_TAG_compile_unit)
DW_AT_stmt_list : 0
DW_AT_high_pc : 0x8248
DW_AT_low_pc : 0x81ac
DW_AT_producer : GNU C 4.1.1
DW_AT_language : 1 (ANSI C)
DW_AT_name : hello.c
DW_AT_comp_dir : C:/Program Files/CodeSourcery/Sourcery G++/bin
<1><5c>: Abbrev Number: 2 (DW_TAG_subprogram)
DW_AT_sibling : <92>
DW_AT_external : 1
DW_AT_name : main
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 5
DW_AT_type : <92>
DW_AT_low_pc : 0x81ac
DW_AT_high_pc : 0x8214
DW_AT_frame_base : 0 (location list)
<2><79>: Abbrev Number: 3 (DW_TAG_variable)
DW_AT_name : i
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 6
DW_AT_type : <92>
DW_AT_location : 2 byte block: 91 68 (DW_OP_fbreg: -24)
<2><85>: Abbrev Number: 3 (DW_TAG_variable)
DW_AT_name : j
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 6
DW_AT_type : <92>
DW_AT_location : 2 byte block: 91 6c (DW_OP_fbreg: -20)
<1><92>: Abbrev Number: 4 (DW_TAG_base_type)
DW_AT_name : int
DW_AT_byte_size : 4
DW_AT_encoding : 5 (signed)
<1><99>: Abbrev Number: 5 (DW_TAG_subprogram)
DW_AT_external : 1
DW_AT_name : add
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 15
DW_AT_prototyped : 1
DW_AT_type : <92>
DW_AT_low_pc : 0x8214
DW_AT_high_pc : 0x8248
DW_AT_frame_base : 0x2a (location list)
<2><b2>: Abbrev Number: 6 (DW_TAG_formal_parameter)
DW_AT_name : a
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 14
DW_AT_type : <92>
DW_AT_location : 2 byte block: 91 6c (DW_OP_fbreg: -20)
<2><be>: Abbrev Number: 6 (DW_TAG_formal_parameter)
DW_AT_name : b
DW_AT_decl_file : 1
DW_AT_decl_line : 14
DW_AT_type : <92>
DW_AT_location : 2 byte block: 91 68 (DW_OP_fbreg: -24)

.debug_line包含了所有地址和源文件行的对应信息，内容如下：
Dump of debug contents of section .debug_line:

Length: 58
DWARF Version: 2
Prologue Length: 30
Minimum Instruction Length: 2
Initial value of 'is_stmt': 1
Line Base: -5
Line Range: 14
Opcode Base: 13

Opcodes:
Opcode 1 has 0 args
Opcode 2 has 1 args
Opcode 3 has 1 args
Opcode 4 has 1 args
Opcode 5 has 1 args
Opcode 6 has 0 args
Opcode 7 has 0 args
Opcode 8 has 0 args
Opcode 9 has 1 args
Opcode 10 has 0 args
Opcode 11 has 0 args
Opcode 12 has 1 args

The Directory Table is empty.

The File Name Table:
Entry Dir Time Size Name
1 0 0 0 hello.c

Line Number Statements:
Extended opcode 2: set Address to 0x81ac
Special opcode 9: advance Address by 0 to 0x81ac and Line by 4 to 5
Special opcode 120: advance Address by 16 to 0x81bc and Line by 3 to 8
Special opcode 90: advance Address by 12 to 0x81c8 and Line by 1 to 9
Special opcode 88: advance Address by 12 to 0x81d4 and Line by -1 to 8
Advance PC by constant 34 to 0x81f6
Special opcode 78: advance Address by 10 to 0x8200 and Line by 3 to 11
Special opcode 34: advance Address by 4 to 0x8204 and Line by 1 to 12
Special opcode 120: advance Address by 16 to 0x8214 and Line by 3 to 15
Special opcode 174: advance Address by 24 to 0x822c and Line by 1 to 16
Special opcode 90: advance Address by 12 to 0x8238 and Line by 1 to 17
Advance PC by 16 to 0x8248
Extended opcode 1: End of Sequence

其他的信息内容不在一一列举，有兴趣的可以自己查看。在下篇文章中分析这些输出究竟何意。