Отладчики играют одну из ключевых ролей в процессе разработки программного обеспечения, особенно когда речь идет о сложных задачах отладки и анализе поведения приложений. Несмотря на их важность, существует относительно мало ресурсов, подробно объясняющих, как устроены отладчики и как написать собственный отладчик для Linux. В предлагаемом материале мы рассмотрим, как пошагово создать базовый отладчик, который позволит запускать и контролировать выполнение программ, устанавливать точки прерывания и эффективно работать с регистрами и памятью. Первым и одним из важнейших шагов является понимание механизма ptrace — системного вызова, предоставляющего способ наблюдать и управлять другим процессом. Именно с помощью ptrace современный отладчик получает доступ к регистрам процессора, памяти и имеет возможность останавливать и возобновлять выполнение целевой программы.
Несмотря на кажущуюся сложность API ptrace, его понимание лежит в основе построения эффективного инструмента отладки. Для начала работы потребуется создать два процесса: родительский, который будет выполнять роль отладчика, и дочерний — собственно отлаживаемый исполняемый файл. Это реализуется классической стратегией fork/exec. В дочернем процессе вызывается ptrace с флагом PTRACE_TRACEME, позволяющим родителю отслеживать состояние дочернего процесса. После этого дочерний процесс заменяется программой, которая будет отлаживаться, посредством вызова execl или аналогичного варианта exec.
Родительский процесс, получив идентификатор дочернего процесса, переходит к выполнению цикла приема команд от пользователя. Для удобства взаимодействия с командной строкой рекомендуется использовать специализированные библиотеки, такие как Linenoise, обеспечивающие обработку ввода с историей команд. В таком цикле реализуется основное управление процессом отладки, включая прием и обработку пользовательских команд. К функциям, которые должен поддерживать базовый отладчик, относятся запуск, приостановка и продолжение выполнения процесса, установка точек прерывания по адресам или номерам строк исходного кода, чтение и запись содержимого регистров и памяти, а также выполнение одиночных шагов с возможностью входа и выхода из функций. Все эти возможности обеспечивают разработчику мощный инструмент для диагностики ошибок и анализа работы программ.
Для продолжения выполнения процесса применяется вызов ptrace с опцией PTRACE_CONT, после чего выполнение отладчика блокируется функцией waitpid до получения сигнала о приостановке процесса отладки. Такая схема позволяет детально управлять жизненным циклом подопечного процесса, реагируя на различные сигналы и события во время исполнения. Для установки точек прерывания отладчик заменяет инструкцию по указанному адресу на инструкцию, вызывающую исключение (обычно INT 3 на архитектуре x86). При достижении процессом адреса с такой инструкцией он останавливается и передает управление отладчику, который может проанализировать состояние программы, вывести актуальную информацию о контексте и предложить команды для дальнейшего действия. Работа с символами исходного кода и переменными реализуется с помощью чтения отладочной информации, хранящейся в формате DWARF.
Для этого удобно использовать библиотеки типа libelfin, которая упрощает загрузку и парсинг DWARF данных и предоставляет инструменты для чтения значений переменных, а также для пошагового сопоставления адресов машинного кода с номерами строк исходных файлов. Процесс разработки отладчика требует тщательного управления состояниями и обработкой ошибок, особенно при взаимодействии с системными вызовами и асинхронными сигналами. Однако изначально акцент следует делать на создание устойчивой базовой версии, которая сможет запускать отлаживаемые программы, останавливать их, продолжать выполнение и устанавливать простые точки прерывания. Следующим шагом является расширение функционала отладчика, включая поддержку многопоточности, удаленной отладки, работы с динамически загружаемыми библиотеками и возможность оценки выражений прямо во время отладки. Эти функции значительно повысит удобство работы и эффективность использования инструмента при сложных сценариях программирования.
