面向國產(chǎn)平臺的反向調(diào)試技術(shù)

喬文利 孔祥營

江蘇自動化研究所，江蘇連云港 222006

一、引言

軟件調(diào)試是軟件開發(fā)必備的過程，是為了能在開發(fā)階段及時發(fā)現(xiàn)并排除程序中的錯誤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，調(diào)試時間大約占開發(fā)總時間的50%，甚至更多[1]。而集成開發(fā)環(huán)境便會嚴(yán)重影響軟件的調(diào)試效率。Eclipse 是一個開源的、可擴(kuò)展的、用Java 語言實(shí)現(xiàn)的開發(fā)平臺，它不是一個一整塊的程序，而是一個包含了插件載入器，被數(shù)百個甚至更多的插件所包圍的小內(nèi)核[2]。CDT（C/C ++ Development Toolkit）是Eclipse 平臺下一組用來開發(fā)、調(diào)試C/C++程序的插件[3]，但它在使用過程中存在以下兩點(diǎn)不足：（1）當(dāng)程序出現(xiàn)錯誤時，需要程序員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析設(shè)置可疑斷點(diǎn)，并從斷點(diǎn)處執(zhí)行，而當(dāng)程序錯誤出現(xiàn)在斷點(diǎn)之前，則需重新設(shè)置斷點(diǎn)并運(yùn)行，程序繁瑣且大大降低了軟件調(diào)試效率；（2）開源的Eclipse 集成開發(fā)環(huán)境只支持X86 平臺，不支持國產(chǎn)平臺，而國產(chǎn)系統(tǒng)只提供他們各自系統(tǒng)廠商所提供的集成開發(fā)環(huán)境，對其他不同的國產(chǎn)平臺不適用，即在通用性方面無法滿足要求[4]。

針對CDT 插件的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個支持國產(chǎn)平臺并提供反向調(diào)試功能的Eclipse 插件，并且為了方便用戶使用，實(shí)現(xiàn)了插件的可視化。該插件增強(qiáng)了面向國產(chǎn)平臺的軟件調(diào)試功能，使得調(diào)試過程方便快捷，提高了軟件調(diào)試效率。

二、反向調(diào)試技術(shù)

當(dāng)前的主流調(diào)試器gdb 在gdb7 版本之后提供了反向調(diào)試。反向調(diào)試技術(shù)是一種軟件開發(fā)技術(shù)，可有效地幫助修復(fù)由于不確定的程序行為而發(fā)生的錯誤。反向調(diào)試與普通調(diào)試的跟蹤方向相反，能夠使被調(diào)試的程序產(chǎn)生一種時光倒流的效果，可以有效提高調(diào)試效率。在串行、多核、多線程等多維場景下，反向調(diào)試應(yīng)具備兩種功能：

一是在單次調(diào)試過程中讓被調(diào)試程序能夠從當(dāng)前的狀態(tài)回退到上一個狀態(tài)，方便問題定位；

二是在調(diào)試模式下對部分代碼進(jìn)行自動執(zhí)行操作時，當(dāng)自動執(zhí)行的代碼出現(xiàn)錯誤后，能夠記錄本次錯誤異常信息，同時自動將系統(tǒng)回退至上一個正常狀態(tài)（包括恢復(fù)堆棧狀態(tài)、寄存器的值等），并自動定位到出現(xiàn)錯誤的代碼行，方便開發(fā)人員對此錯誤進(jìn)行調(diào)試，避免了排查代碼、設(shè)置斷點(diǎn)、重啟調(diào)試等一系列繁雜的操作，提高了故障定位的精確性和調(diào)試效率。

圖1 所示為gdb 反向調(diào)試示意圖。由圖可見，gdb向各指令添加了一個斷點(diǎn)，在斷點(diǎn)發(fā)生時以差分方式保存正在調(diào)試的應(yīng)用程序的內(nèi)存狀態(tài)和寄存器狀態(tài)。鑒于每條指令都添加了一個斷點(diǎn)，且程序的運(yùn)行狀態(tài)保存在該斷點(diǎn)處，能夠使得歷史調(diào)試精度得到最高保證[4]。

三、Eclipse 插件體系結(jié)構(gòu)

Eclipse 是以開放服務(wù)網(wǎng)關(guān)協(xié)議（OSGI）框架[5]為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一個小內(nèi)核并通過集成大量插件所共同形成的開發(fā)環(huán)境。OSGI 是JAVA 動態(tài)化模塊化系統(tǒng)的一系列規(guī)范，插件是由遵循一系列特定規(guī)范的應(yīng)用程序接口編程而得，每個插件之間是通過聲明擴(kuò)展點(diǎn)和擴(kuò)展其它插件中的擴(kuò)展點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接的[1][6]。 構(gòu)成Eclipse 平臺的子系統(tǒng)以插件的形式實(shí)現(xiàn)， 圖2 為各子系統(tǒng)的組成形式示意圖[7]。

四、反向調(diào)試方案設(shè)計(jì)

1、X86 下的單步反向調(diào)試

首先需要確定，應(yīng)用程序的狀態(tài)僅由應(yīng)用程序的寄存器及其虛擬地址空間內(nèi)的所有內(nèi)存內(nèi)容所確定，不管外界環(huán)境如何變化，一旦能確定應(yīng)用程序所有的寄存器值（包括指令寄存器等），及其所有內(nèi)存的值，即確定了應(yīng)用程序的狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)程內(nèi)用戶態(tài)指令的執(zhí)行與內(nèi)核態(tài)指令的執(zhí)行分開，由于用戶態(tài)指令不會對系統(tǒng)環(huán)境造成影響，也不會被系統(tǒng)環(huán)境影響，其執(zhí)行過程完全是確定性的（對于上述應(yīng)用程序的狀態(tài)而言），具有無限可重復(fù)性。因此，在進(jìn)行程序狀態(tài)記錄時，可以完全不對用戶態(tài)的指令進(jìn)行跟蹤，僅需要對外界對應(yīng)用程序狀態(tài)影響的操作進(jìn)行跟蹤即可。在Linux操作系統(tǒng)下，主要對內(nèi)核態(tài)指令與事件進(jìn)行跟蹤即可。在Linux 操作系統(tǒng)下，內(nèi)核態(tài)指令與事件主要包括系統(tǒng)調(diào)用（syscall）、信號（signal）與進(jìn)程間通信機(jī)制（如共享內(nèi)存）等。

Linux 操作系統(tǒng)下有數(shù)百個系統(tǒng)調(diào)用，而且每個架構(gòu)支持的系統(tǒng)調(diào)用、系統(tǒng)調(diào)用號與具體實(shí)現(xiàn)不完全一致。為了對系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行跟蹤，需要對每個系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行分析，根據(jù)其語義、參數(shù)、返回值與對應(yīng)架構(gòu)下的函數(shù)調(diào)用規(guī)約（例如使用哪幾個寄存器傳參、是否使用棧傳參、返回值存放在哪個寄存器或者棧上）得到每個系統(tǒng)調(diào)用具體會讀取以及寫入的用戶態(tài)進(jìn)程空間的寄存器與內(nèi)存區(qū)域，進(jìn)而才能對系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行跟蹤，并將系統(tǒng)調(diào)用對進(jìn)程狀態(tài)的改變記錄下來。

在Linux 操作系統(tǒng)下，進(jìn)程運(yùn)行的過程中可能會收到內(nèi)核發(fā)出的信號，導(dǎo)致進(jìn)程對應(yīng)的信號處理函數(shù)被調(diào)用，或者進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生改變，例如暫停、退出等。為了精確跟蹤進(jìn)程收到信號的事件，以及對信號的處理，需要記錄進(jìn)程對信號設(shè)置的信號處理掩碼（sigprocmask），并基于ptrace 對被調(diào)試進(jìn)程收到信號的事件進(jìn)行監(jiān)聽處理，繼而通過單步的方式跟蹤內(nèi)核為信號處理函數(shù)設(shè)置的寄存器與棧幀，將其記錄下來，以便進(jìn)行回放調(diào)試時的狀態(tài)回放。

由于調(diào)試器僅對內(nèi)核態(tài)指令與事件進(jìn)行跟蹤，對用戶態(tài)指令采取自動運(yùn)行的方式進(jìn)行處理。因此，在回放時，調(diào)試器需要以用戶態(tài)指令序列為回放的時間戳，以支持精確的指令序列回放。在此處使用絕對時間或者相對時間都是不行的，因?yàn)橛涗洉r的時間無法與回放時候的時間完全一致（即使是同一臺機(jī)器，由于調(diào)試的時候需要進(jìn)行人工操作，也必然導(dǎo)致時間間隔的不同）。因此，必須記錄每個內(nèi)核態(tài)指令與事件相對于用戶態(tài)指令發(fā)生的計(jì)數(shù)進(jìn)行記錄，并在回放的時候以此計(jì)數(shù)為基準(zhǔn)定位原內(nèi)核態(tài)指令與事件的發(fā)生時機(jī)，進(jìn)行執(zhí)行歷史的回放。

圖3 給出了X86 平臺下單步反向調(diào)試的示意圖。由 圖中可以看到與gdb 不同，本調(diào)試器使用ptrace 跟蹤系統(tǒng)調(diào)用（步驟1），在運(yùn)行用戶態(tài)指令（上述的for 循環(huán)代碼）時不打斷被調(diào)試程序，但是一旦發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用（步驟2），內(nèi)核就將暫停被調(diào)試程序，同時通知調(diào)試器（步驟3），調(diào)試器此時將保存系統(tǒng)調(diào)用信息至記錄文件（步驟4）。其實(shí)在系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后還有一次通知，那時調(diào)試器將把系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果記錄在文件中。

2、基于事件的反向調(diào)試

鑒于在國產(chǎn)平臺實(shí)施gdb 單指令反向調(diào)試與確定性反向調(diào)試實(shí)施存在的困難，參考微軟Visual Studio 企業(yè)版的IntelliTrace 功能[8]，將以事件級反向調(diào)試取代指令級單步反向調(diào)試。

在此方案中，調(diào)試器在程序運(yùn)行過程中對程序的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快照，提供快照管理。下面的問題是在什么時候進(jìn)行被調(diào)試應(yīng)用程序的快照，以及如何對被調(diào)試程序進(jìn)行快照。

類似于IntelliTrace，將程序運(yùn)行過程中發(fā)生的外部事件進(jìn)行分類，對其進(jìn)行記錄。這些外部事件主要是系統(tǒng)調(diào)用與信號，這是因?yàn)槌绦虻倪\(yùn)行過程在用戶態(tài)指令中都是確定的，可以通過傳統(tǒng)的方法進(jìn)行調(diào)試并重現(xiàn)問題（除非是執(zhí)行了非確定性指令，例如RTDSC 或者RDRAND等），因此，難以調(diào)試的故障均是與系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)的故障。

而在Linux 操作系統(tǒng)中，主要是通過系統(tǒng)調(diào)用和信號來完成應(yīng)用程序與系統(tǒng)環(huán)境之間的交互。它們通過超出應(yīng)用程序指令預(yù)期的方式改變程序的行為，信號對應(yīng)于大多數(shù)程序運(yùn)行時錯誤[4]。因此，通過記錄相應(yīng)的事件，可以回放和調(diào)試大量難以調(diào)試的軟件故障，從而有助于快速定位和解決故障。

3、可視化調(diào)試插件設(shè)計(jì)

在基于底層單步反向調(diào)試（X86 平臺下）與基于事件的反向調(diào)試的基礎(chǔ)上，將基于自主可控環(huán)境下主流的集成開發(fā)環(huán)境Eclipse 提供圖形化的反向調(diào)試界面，此界面將基于Eclipse 插件接口進(jìn)行開發(fā)。

此外，圖形化用戶界面還將提供事件管理功能，這些事件包括系統(tǒng)調(diào)用與信號等分類，一旦用戶設(shè)定了相應(yīng)的事件，在記錄反向調(diào)試信息時即可進(jìn)行過濾，從而可以減少事件記錄的壓力，提高反向調(diào)試的性能。

圖形界面插件與Eclipse 之間的接口為插件接口，與底層調(diào)試模塊的接口與RSP 調(diào)試協(xié)議接口。后臺調(diào)試器通過RSP 協(xié)議與集成開發(fā)環(huán)境的前端界面通信，接收前端界面?zhèn)鬟f的調(diào)試指令，會在處理完畢后發(fā)回相應(yīng)的響應(yīng)。

圖5 給出了開發(fā)人員、集成開發(fā)環(huán)境、圖形界面插件、調(diào)試器、被調(diào)試程序等幾者之間的互動關(guān)系。

五、實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

本文在龍芯平臺上實(shí)現(xiàn)了上述反向調(diào)試技術(shù)方案，龍芯運(yùn)行環(huán)境配置如表1 所示。

表1 龍芯運(yùn)行環(huán)境配置

用戶通過集成開發(fā)環(huán)境Eclipse 中本系統(tǒng)提供的插件，通過圖形界面的按鈕、快捷鍵與窗口運(yùn)行調(diào)試程序，記錄程序發(fā)生的事件以及事件的記錄與回放。記錄程序在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，將被分析程序執(zhí)行中發(fā)生的事件記錄下來，再通過本系統(tǒng)的圖形界面插件對其進(jìn)行記錄、調(diào)試與可視化。

圖6 是集成開發(fā)環(huán)境反向調(diào)試插件的圖形界面示意圖。

在此界面上提供如下多個聯(lián)動的窗口：

·隨著被調(diào)試程序的執(zhí)行，時間軸窗口將不斷推進(jìn)，展示執(zhí)行過程中發(fā)生的事件；

·在時間軸窗口中開發(fā)人員可以對執(zhí)行過程中發(fā)生的時間進(jìn)行穿梭，在移動時間軸時，插件將讀取相應(yīng)的事件記錄，將其顯示在事件列表窗口中；

·事件列表窗口將載入每個事件的細(xì)節(jié)，包括參數(shù)（如open 系統(tǒng)調(diào)用的文件名、打開標(biāo)識等參數(shù)）與返回值、事件起止時間、源碼位置等；

·單擊事件窗口中的每條事件，除了顯示上述的事件相關(guān)信息外，還將在調(diào)用棧窗口中顯示對應(yīng)的調(diào)用棧信息，在局部變量窗口顯示局部變量信息；

·雙擊事件窗口中的每條事件，會在編輯窗口中載入并顯示相應(yīng)的源碼文件的對應(yīng)行。

六、結(jié)語

本文分析了CDT 調(diào)試插件在Linux 操作系統(tǒng)中使用存在的不足，并通過分析X86 平臺下單步反向調(diào)試技術(shù)以及在國產(chǎn)平臺下實(shí)施的困難，提出了基于事件的反向調(diào)試技術(shù)，并最終實(shí)現(xiàn)了插件的可視化，提高了嵌入式軟件的調(diào)試效率。

本文提出的反向調(diào)試插件界面友好，從功能上簡化了用戶的操作，使開發(fā)人員的調(diào)試工作更加簡捷直觀，軟件調(diào)試效率得到了提高，但仍然存在一些不足，如目前只能適用于國產(chǎn)龍芯平臺，對于其他國產(chǎn)平臺還不支持等，這些問題需要在下一步工作中繼續(xù)改進(jìn)。