Отладка программы. Отладчики программ Основные функции отладчика

Вот ты все кодишь, кодишь, отлаживаешь,
отлаживаешь... Стоп! А задумывался ли ты как
работает отладчик? Нет? Тогда слушай...
Начнем с того, что все семейство отладчиков
делится на отладчики приложений и
отладчики ядра. Различие в их реализации,
как правило, заключается в том, что
отладчики приложений используют Debugging API ОС
(функции, структуры), а отладчики ядра -
непосредственно отладочные возможности
процессора (регистры, команды). Очевидно,
что отладчики приложений проще в
реализации, посему с них и начнем.

Отладчики приложений

Описывать я буду Windows Debugging API. Итак, для
того, чтобы начать отладку, поток-отладчик
должен запустить отлаживаемый процесс так,
чтобы ОС знала о том, что запускаемый
процесс будет находиться под отладкой. Для
этого надо запустить отлаживаемую
программу функцией CreateProcess с параметром
dwCreationFlag равным DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS (или DEBUG_PROCESS,
если отладчик может отлаживать несколько
процессов одновременно). Теперь отладчик
должен войти в т.н. цикл отладки. Для этого
надо войти в цикл, вызывая функцию WaitForDebugEvent
(while(WaitForDebugEvent(...)==1)) и после завершения
обработки какого-либо события отладки
вызывать ContinueDebugEvent. Итак, обобщенная схема
работы отладчика:

CreateProcess("путь_к_отлаживаемой_проге",...,DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS,...);
while(WaitForDebugEvent(...)==TRUE)
{
обрабатываем_события(см.далее)
...
...
...

ContinueDebugEvent(...);
}

Да, кстати, выше я сказал ПОТОК-отладчик -
это важно (Microsoft recommendation:), чтобы цикл
отладки, описанный выше находился в
отдельном потоке отладчика. Иначе отладчик
будет виснуть во время ожидания событий
отладки. Но это важно для серьезных
отладчиков, а на пока можно этим не
заморачиваться (это тебе так, на будущее).
Теперь нам надо научиться получать события
отладки. Для этого в Win DAPI есть структура
DEBUG_EVENT (посмотри SDK, описывать не буду, т.к.
структура не из маленьких). Указатель на эту
структуру передается первым параметром
функции WaitForDebugEvent, а она в свою очередь
заполняет ее интересной для нас
информацией. Само событие отладки, которое
нужно/можно обрабатывать будет в элементе
DEBUG_EVENT dwDebugEventCode. Итак какие существуют
события отладки:

CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT - в отлаживаемом процессе
создается новый процесс (или отладчик начал
отладку уже активного процесса - нам не надо)
CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT - соответственно, в
отлаживаемом процессе создается новый
поток
EXCEPTION_DEBUG_EVENT - в отлаживаемом процессе
возникло исключение (точка останова,
деление на ноль и т.д)
EXIT_PROCESS_DEBUG_EVENT - возникает при выходе из
отлаживаемого процесса
EXIT_THREAD_DEBUG_EVENT - возникает при выходе из
потока отлаживаемого процесса
LOAD_DLL_DEBUG_EVENT - возникает при загрузке DLL в
адресное пространство
OUTPUT_DEBUG_STRING_EVENT - возникает, когда
отлаживаемая программа вызывает OutputDebugString
UNLOAD_DLL_DEBUG_EVENT - отлаживаемый процесс
выгружает DLL
RIP_INFO - (только для Win98), сообщение об
ошибочной ситуации (например закрытие
недопустимых дескрипторов, т.е. ошибки, не
настолько смертельные, как при EXCEPTION_DEBUG_EVENT)

При возникновении событий отладки
существует множество нюансов, не описанных
мной. Например CREATE_PROCESS_DEBUG_EVENT и
CREATE_THREAD_DEBUG_EVENT возникают ПЕРЕД тем как
процесс или поток начнут выполняться.
Почитай более подробно в MSDN, т.к. сегодня мы
создаем ОЧЧЧЕНЬ простой отладчик.

Ну вот, кое-что уяснили, теперь напишем что-то
похожее на отладчик:

Вот и все. Компиляй, запускай. Я думаю ты
догадался, что в качестве параметра этому
отладчику следует передать путь к
отлаживаемой программе. Теперь ты знаешь
примитивнейшие основы работы отладчика
приложений под Win. Написанный в качестве
примера отладчик даже не столько отладчик,
сколько прога, отображающая события
отладки. Для создания настоящего отладчика
требуется большое усердие и желание. Если
тебя заинтересовала эта тема, прочти, что
написано об отладке в MSDN и вперед!

Отладчики ядра

Плавно подходим к отладчикам ядра.. Оооооо!
Это очень интересно и настолько же сложно.
Как я уже говорил, отладчики ядра
используют ресурсы процессора. Сразу скажу,
что я ограничусь описанием этих ресурсов и
описанием их использования. Примера проги
не будет 🙁 В современных процах Intel (и
совместимых с ними), начиная с 80386 нам
доступны 8 отладочных регистров (DR0-DR7),
позволяющие ставить контрольные точки на
чтение/запись областей памяти и портов
ввода/вывода (начиная с Pentium). И это круто,
скажу я тебе! Всего контрольных точек
только четыре 🙁 Ну ладно, рассмотрим
отладочные регистры DR0-DR7. Наиболее важным
из них является DR7, т.к. именно он является
управляющим регистром отладки, позволяющим
координировать работу точек останова. Да,
кстати все восемь отладочных регистров 32-битные.
Рассмотрим подробнее регистр DR7:

биты 31-30: поле LEN для т/о (точки останова) 3
биты 29-28: поле R/W для т/о 3
биты 27-36: поле LEN для т/о 2
биты 25-24: поле R/W для т/о 2
биты 23-22: поле LEN для т/о 1
биты 21-20: поле R/W для т/о 1
биты 19-18: поле LEN для т/о 0
биты 17-16: поле R/W для т/о 0

поле LEN задает длину т/о:
00 - 1 байт
01 - 2 байта
10 - 3 байта
11 - 4 байта

поле R/W задает условие срабатывания т/о:
00 - исполнение команды
01 - запись данных
10 - обращение к порту ввода/вывода (если 3-й
бит регистра CR4 равен 1), иначе не определено
11 - чтение/запись

биты 15-14: 0-0 (равны нулю)
бит 13: при его установке любое обращение к
отладочным регистрам (даже из 0 кольца)
вызывает исключение
биты 12-10: 0-0-1
биты 9-8: 1-1 (а здесь уже Intel recommendation 🙂
бит 7: 1 - включить т/о 3
бит 5: 1 - включить т/о 2
бит 3: 1 - включить т/о 1
бит 1: 1 - включить т/о 0
биты 8,6,4,2,0: то же, что и 7,5,3,1, но сбрасывается
при каждом переключении задачи (актуально
для защищенного режима, в реальном режиме
эти пары регистров равноценны)

Регистры DR0-DR3 задают линейные адреса
четырех точек останова (0-3 соответственно).
Тут есть некоторые пометки: если размер т/о -
слово, то адрес толжен быть четным,
если двойное слово, то адрес должен быть
кратный четырем.
И наконец регистр DR6 отображает состояние
отладки:

биты 31-16: все выставить в единицу
бит 15: если 1, то исключение вызвано
переключением задач (опять же, актуально
для защищенного режима)
бит 14: устанавливается при трассировке
бит 13: устанавливается, если следующая
команда обращается к любому отладочному
регистру (бит 13 регистра DR7 должен быть
установлен)
бит 12: 0
биты 11-4: единицы
бит 3: сработала т/о 3
бит 2: сработала т/о 2
бит 1: сработала т/о 1
бит 0: сработала т/о 0

Ox-x-x, это тебе не Windows Debugging API 🙂

;Этот пример в Win не работает (и в DOS окне тоже)
mov eax, 0000000011000000110000010 ; длина т/о равна 1 байт,
ставим на чтение/запись памяти
mov ebx, 90000h ;адрес точки останова (кто прочтет/начнет
писАть - сразу пискнет)
mov dr7, eax
mov dr0, ebx

Отладчики же после установки т/о ждут
генерации int 0x1 при обращении к т/о и получая
управление творят беспредел 🙂 С портами все
точно так же, но надо сначала установить в
единицу 3-й бит регистра CR4, и задать адрес
порта в один из регистров DR0-DR3.

Из древних возможностей отладки можно
сказать о контрольных точках останова и
трассировке. Контрольная точка останова
реализуется с помощью опкода 0xCC. Встретив
его, процессор вызывает int 0x3 и запоминает в
стеке регистр флагов, регистр CS, регистр IP,
запрещает преревания (флаг FI в регистре
флагов устанавливается в 0), сбрасывает флаг
трассировки. После этого отладчик опять же
может делать с программой все что угодно. И
о трассировке. Она организуется установкой
флага TF (флаг трассировки) в единицу.
Установил TF в единицу, и процессор после
каждой команды будет вазывать int 0x1,
сохраняя в стеке регистр флагов и регистр IP
и очищая флаг TF. Хитрый отладчик
перехватывал исключение и - опять беспредел
🙂 Для отладки в реальном режиме процессора
отладчик должен был перехватывать
прерывания(исключения) 0x1 и 0x3 и
обрабатывать их по своему усмотрению. В
защищенном режиме в принципе все так же (в
смысле так же надо перехватывать 0x1 и 0x3), но
здесь при возникновении исключения
предоставляется больше информации, но
программировать в защищенном режиме
достаточно сложно. А уж в нулевом кольце
защиты Windows и подавно. Чуть не забыл сказать
об т.н. эмулирующих отладчиках. Эти
отладчики эмулируют выполнение команд
процессора отлаживаемой программы (ну и
регистры проца конечно эмулируют). С точки
зрения защиты от антиотладочного кода это
большое подспорье. Но и на эмулирующие
отладчики управа всегда найдется.

К чему пришли?..

Ну вот, теперь ты знаешь, пусть примерно,
как работают отладчики. Да, кстати, SoftIce -
отладчик ядра, а так же единственный из них,
способный отлаживать используя один комп.
"Что значит один комп?" - спросишь ты. А
это значит что остальные известные
отладчики ядра ведут отладку "по модему",
т.е. отлаживаемая система вместе с ядром
отладчика на одном компе, а управление
ядром происходит по сети, другим компом. Вот
так-то. А как правило встроенные в средства
разработки отладчики - не что иное как
отладчики приложений, причем не самые
лучшие. Что же использовать, спосишь ты меня.
Да ты и сам знаешь - SoftIce 🙂 А еще неплохой
отладчик - WinDBG. Он идет вместе с PlatformSDK. Удачи
в ловле жуков!

Компиляторы (ассемблеры) и редакторы связей.

Эти два класса программ следует объединить, т.к. в поставку любого современного компилятора входит и редактор связей.

Компилятор (ассемблер) формирует объектный код, переводя программу с языка программирования (языка ассемблера), а редактор формирует исполнимый файл, собирая объектные и библиотечные файлы и редактируя перекрестные ссылки.

Для компиляторов можно указать следующие характеристики:

Язык, с которого производится компиляция;

Диалект/стандарт языка;

Аппаратные платформы и ОС, для которых может формироваться объектный и исполнимый файл;

Наличие возможности и качество оптимизации кода;

Форматы поддерживаемых объектных, библиотечных и исполнимых файлов;

Представители: C/C++: Intel C++ Compiler, Borland C++ Compiler, Watcom C++, GNU C.

Pascal: Free Pascal, GNU Pascal.

Редакторы текстов.

Предназначены для ввода и корректировки текстов программ. Могут быть как общими, так и предназначенными для поддержки конкретных языков или среды.

Характеристики:

Формат и кодировка обрабатываемых файлов;

Возможность выделения лексем в тексте;

Возможность поддержки оформления текста в соответствии с парадигмами языка;

Возможность вызывать процесс компиляции прямо из редактора;

Возможность генерации части текста программы (чаще бывает не у редакторов, а у сред).

Отладчики.

Предназначены для поиска ошибок в других программах, ядрах операционных систем, SQL-запросах и других видах кода. Отладчик позволяет выполнять пошаговую трассировку, отслеживать, устанавливать или изменять значения переменных в процессе выполнения кода, устанавливать и удалять контрольные точки или условия остановки, отслеживать изменение состояния процессора во время работы программы и т.д.

Различают два основных типа отладчиков:

Отладчики пользовательского режима;

Отладчики режима ядра.

Первые могут лишь следить за работой программ пользовательского режима и не способны ни отслеживать системные вызовы, ни следить за работой ядра. Кроме того, для использования таких отладчиков программа должна быть соответствующим образом подготовлена (скомпилирована).

Отладчики же режима ядра, напротив, позволяют полностью контролировать работу системы, а, следовательно, и всех программ.

Характеристики:

Тип (режима ядра/пользовательский);

Поддержка символьной отладки (способность читать исходные коды программы и работать с ними). Набор поддерживаемых языков (сред/диалектов);

Набор отображаемой информации: регистры процессора, стек, память (режимы отображения содержимого памяти);

Поддерживаемые режимы отладки: пошаговый, с точками останова, с реакцией на события в системе;

Состав отслеживаемых событий в системе: аппаратные прерывания, обращения к драйверу (другому модулю ядра), вызов функции и т.д.

- (обычно для отладчиков режима ядра) требования к аппаратной поддержке, возможность работы на «живой» системе;

Возможность анализа файлов дампа.

Представители:

Отладчики пользовательского режима: Turbo Debugger (Borland Software Corporation), Cool Debugger (Wei Bao), W32Dasm, AQtime, FlexTracer, GNU Debugger.

Отладчики режима ядра: i386kd/alphakd/ia64kd и WinDbg (Microsoft Corporation) (для работы в “живую” требуют 2 машины. Для обхода этого ограничения существует надстройка LiveKd (Mark E. Russinovich)), SoftIce (NuMega).

Существует множество отладчиков такие, как DEBUG, SYMDEB, CODEVIEW, NTiceSET, SUPER TRACER, TRW, Soft-ICE.

В данном разделе рассматривается отладчик Turbo Debugger .

Turbo Debugger представляет собой набор инструментальных средств, позволяющий отлаживать программы на уровне исходного текста и предназначенный для программистов, использующих семейство компиляторов Borland. В пакет отладчика входят набор выполняемых файлов, утилит, справочных текстовых файлов и примеров программ.

Turbo Debugger позволяет отлаживать программы для Microsoft Windows, Windows 32s, Windows NT и DOS. Многочисленные перекрывающие друг друга окна, а также сочетание спускающихся и раскрывающихся меню обеспечивают быстрый, интерактивный пользовательский интерфейс. Интерактивная, контекстно-зависимая справочная система обеспечит подсказкой на всех стадиях работы. Кроме того, Turbo Debugger имеет полный набор средств отладки:

• Вычисление любых выражений языка Си, C++, Pascal и Assembler.
• Полное управление выполнением программы, включая программную анимацию.
• Доступ на нижнем уровне к регистрам процессора и системной памяти .
• Полные средства проверки данных.
• Развитые возможности задания точек останова и регистрации.
• Трассировка сообщений Windows, включая точки останова по сообщениям.
• Обратное выполнение.
• Поддержка удаленной отладки, в том числе для Windows.
• Полная поддержка объектно-ориентированного программирования, включая просмотр классов и проверку объектов.
• Макрокоманды в виде последовательности нажатий клавиш, ускоряющие выполнение команд.
• Копирование и вставка между окна ми и диалогами.
• Контекстно-зависимые меню.
• Возможность отладки больших программ.
• Диалоговые окна, позволяющие вам настроить параметры отладчика.
• Возможность отладки 16- и 32-разрядных программ Windows (для 32-разрядной отладки имеется отладчик TD32).
• Обработка исключительных ситуаций операционной системы, а также С и С++.
• Сохранение сеанса.
• Поддержка нитей для мультинитевого программирования Windows NT.
• Возможность подключения готовых к выполнению в Windows процессов.

Запуск отладчика После компиляции и компоновки программ с включением отладочной информации можно начать процесс отладки, запустив Turbo Debugger и загрузив с ним программу. При этом можно использовать один из трех отладчиков: TD.EXE для отладки 16-разрядных приложений DOS, TDW.EXE для отладки 16-разрядных приложений Windows и TD32.EXE для отладки 32-разрядных приложений Windows.
При запуске Turbo Debugger из командной строки можно задать параметры запуска и режимы отладки. Эта командная строка имеет следующий синтаксис:

TD TDW TD32 [параметры] [имя_программы [аргументы]]

При выполнении TDW (или TD32 в Windows 32s) отладчик открывает полноэкранное текстовое окно. Однако, в отличие от других приложений, вы не можете использовать в Turbo Debugger клавиши Windows Alt+Esc или Ctrl+Esc, то есть смена задач здесь запрещена. Однако в Windows NT TD32 активизирует окно с командной подсказкой, и доступны все обычные средства приложения Windows.

В процессе отладки управление периодически передается между программой и отладчиком. Когда управление передается Turbo Debugger, он может использовать свои средства для поиска по исходному коду и структурам данных программы и выявления причины неправильного выполнения программы. Для этого можно использовать меню и окна отладчика. Отладчик предоставляет много способов управления выполнением программы:

• выполнять программу по шагам (по одной машинной инструкции или строке исходного кода);
• выполнять как один шаг вызовы функций;
• выполнять программу до заданного места;
• выполнять программу до возврата из текущей функции;
• трассировать программу;
• выполнять программу в обратном направлении;
• выполнять программу до точки останова;
• выполнять программу до появления определенного сообщения Windows;
• приостанавливать программу при возникновении исключительной ситуации С++ или Си.

При выполнении программы можно получить доступ к отладчику. Это полезно использовать, когда в программе не установлены точки останова. Если при возврате в Turbo Debugger вы увидите окно CPU без соответствующих программе инструкций, то возможно вы находитесь в коде ядра Windows. При этом следует установить точку останова в том месте, где должна выполняться ваша программа.

Отладчик SoftIce SoftIce - это универсальный отладчик, которым можно отладить любой код, включая подпрограммы прерывания и драйверы ввода-вывода. SoftIce состоит из отладчика уровня ядра (kernel mode debugger) и утилиты загрузки отладочной информации (Symbol Loader). SoftIce имеет следующие возможности:

• Символьная отладка 32-битных приложений, отладка драйверов устройств для WIN NT, драйверов для WIN95, VxD, 16-битных программ для DOS и Windows.
• Отладка фактически любого кода, включая подпрограммы прерывания и внутренние подпрограммы WIN 95 и WIN NT.
• Установка точек останова на сообщения Windows, операции чтения/записи в память, чтения/записи портов ввода-вывода, прерываний.
• Установка точек останова, срабатывающих при определенных условиях (условных точек останова), и действий, которые должны произойти при срабатывании точки останова.

Способен распознавать функции api с перечислением необходимых параметров. И многое другое

2. Параллельный и последовательный порты ЭВМ.

Порты P0-P3 являются двунаправленными портами ввода-вывода и предназначены для обеспечения обмена информацией ОМЭВМ с внешними устройствами, образуя 32 линии ввода – вывода. Каждый из портов содержит фиксатор-защелку который представляет собой 8-разрядный регистр, имеющий байтовую и однобитовую адресацию. Для установки(сброса) разрядов с помощью программного обеспечения.

Физические адреса фиксаторов P0-P3 составляют для:

Р0 -80Н, при битовой адресации 80Н-87Н;

Р1 -90Н, при битовой адресации 90Н-97Н;

Р2 -A0Н, при битовой адресации А0Н-А7Н;

Р3 -B0Н, при битовой адресации B0Н-B7Н;

Последовательный порт ОМЭВМ может использоваться в виде регистра сдвига для расширения ввода-вывода или в качестве универсального приемопередатчика с фиксированной или переменной скоростью последовательного обмена и возможностью дуплексного включения. Последовательный порт может принимать очередной байт, даже если принятый до этого байт не был прочитан из регистра приемника.

Последовательный порт может работать в 4-х режимах:

В режиме 0 информация передается и принимается через ввод приемника RxD. Через выход передатчика TxD выдаются импульсы синхронизации, стробирующие каждый передаваемый или принимаемый бит информации.

В режиме 1 информация передается через выход передатчика TxD и принимается через вход приемника RxD

В режиме 2 информация передается через выход передат-TxD принимается через вход приемника RxD. Формат посылкики – 11 бит. Частота приема и передачи в режиме 2 задается программно и может быть равна f BQ /32 или fno/64.

Режим 3 полностью идентичен режиму 2 за исключением параметров частоты приема и передачи, которые в режиме 3 задаются Т/С 1. Схема синхронизации и временные диаграммы, иллюстрирующие работу последовательного порта, показаны на рис. 40.

Регистр управления (SCON) предназначен для приема и хранения кода 8-битного слова, управляющего последовательным интерфейсом. Обозначение разрядов регистра SCON приведено в табл. 24. Все разряды регистра SCON программно доступны по записи («0» и «1») и чтению.

Отладчик - вторая после компилятора вещь, необходимая для создания программ. Однако многие из тех, кто пишет компьютерные программы и пользуется отладчиком, не в курсе того, каковы принципы и механизмы его работы.

Тяжело быть отладчиком...

В свете того, что программисты используют отладчик денно и нощно, особенно когда войдут в режим глубокой отладки, стоит сказать, что, будь отладчик не программой, а железякой, он бы наверняка перегрелся и сломался. Потому что столько работы, сколько её достаётся отладчику, не имеет даже компилятор.

Конечно, поскольку сейчас множество всяких различных языков программирования, то и отладчики для каждого из них свои. И, естественно, для разных категорий этих языков имеются различия в работе отладчиков: например, отладчик программ на интерпретируемом Ruby будет работать иначе, чем для компилируемого в байт-код языка Java, а отладчик для Java, в свою очередь, будет иметь отличия от отладчика Visual C++.

Я расскажу об отладке для платформы Windows. Поняв принципы работы отладчиков для неё, можно будет разобраться и с отладчиками под POSIX-системы, и с отладчиками, которые работают не на уровне операционной системы, а на уровне виртуальной машины или какого-либо интерпретатора.

Отладчики для Windows: два вида

Существуют два принципиально разных вида отладчиков под Windows. Думаю, с первыми сталкивались все, когда программировали на Delphi (не программировали на нём? С трудом верится. На чём же вы программировали в школе и на младших курсах?). Это отладчики пользовательских приложений. Их немало, и они существуют как по отдельности, так и (особенно, кстати, часто) в составе интегрированных сред разработки приложений. Среди отладчиков, распространяемых как отдельные программные продукты, традиционно выделяют OllyDbg, и о нём я когда-то писал в "Компьютерных вестях".

Второй вид отладчиков - это отладчики ядра операционной системы. Они встречаются и используются реже и по своему устройству значительно отличаются от отладчиков пользовательских приложений. Самый известный, и, одновременно, самый лучший из отладчиков ядра - это SoftIce. Возможно, вы о нём не только слышали, но даже пользовались.

Поскольку работа каждого из двух видов отладчиков имеет свою специфику, то я расскажу о каждом из них подробнее.

Отладчик пользовательских приложений

Отладчик пользовательских приложений устроен проще, поскольку самую чёрную и грязную работу берёт на себя операционная система. В Windows есть специальные программные интерфейсы, которые предназначены для отладки приложений пользовательского уровня - называются они Windows Debugging API. Именно отладочными API пользуются все отладчики, которые встроены в популярные интегрированные среды разработки для Windows.

Для того чтобы отладка началась, отладчик должен запустить отлаживаемый процесс специальным образом - таким, чтобы система знала, что этот процесс будет находиться под отладкой. После этого начинается цикл отладки: программа выполняется до наступления определённого события, которое так и называется - отладочное событие, или debug event. При этом цикл отладки запускается в отдельном потоке, чтобы предотвратить зависание отладчика.

Но это только начало. Потому что самое интересное в работе отладчика начинается уже тогда, когда отладочное событие произошло. Ведь, по сути, в чём заключается работа отладчика? Чтобы помочь программисту локализовать ошибку с точностью до конкретной функции, конкретной операции, конкретной переменной. В этом нелёгком деле отладчику также может помочь операционная система.

Итак, отладочное событие произошло, и дальше надо каким-то образом узнать, как это связано с текстом программы. Это возможно только если в саму программу включена специальная отладочная информация - таблица отладочных символов. Она содержит в себе информацию о соответствии между адресами и именами функций, типов данных, номерами строк кода. Именно благодаря им возможна та отладка, с которой знаком каждый Windows-программист. Таблицы символов имеют разные форматы, а потому не всегда возможно отладить программу, скомпилированную компилятором одного разработчика, с помощью отладчика от другого производителя. Но, правда, самый распространённый формат всё же можно указать - это PDB (Program Database), и разработан он, естественно, корпорацией Microsoft.

Итак, если отладочная таблица символов имеет формат PDB, то можно воспользоваться специальным инструментом от корпорации Microsoft - символьным отладочным процессором. Когда-то он входил в ядро системы и назывался Imagehlp.dll, но уже давным-давно был выделен в отдельную библиотеку. Символьный процессор позволяет находить по заданному адресу ближайшую открытую функцию или глобальную переменную, а также номер строки и название файла с исходным текстом, в котором эта строка находится. Поддерживаются и обратные операции, например, поиск адреса функции по её имени.

Это, конечно, далеко не вся работа, которой занимается отладчик пользовательских приложений. Например, при отладке многопоточных приложений появляются многие очень тонкие моменты, связанные со взаимодействием потоков. Даже при отладке таких сравнительно простых вещей, как сервисы, есть свои нюансы.

Но на нюансах мы сейчас останавливаться не будем - в конце статьи я скажу вам, где о них почитать. Сейчас же давайте посмотрим на отладчики ядра.

Отладчик ядра

Отладчики ядра - программы намного более сложные, чем отладчики пользовательских приложений, и, полагаю, вполне понятно, почему: у них отсутствует помощник в виде операционной системы. Она в данном случае является их клиентом, ведь именно её они, в конечном счёте, должны отлаживать.

Большинство отладчиков ядра требует для своей работы два компьютера, соединённых нуль-модемным кабелем. Нуль-модем - это способ соединения двух компьютеров напрямую кабелем через их COM или LTP-порты. Второй компьютер нужен, потому что часть отладчика, сидящая на первом (на том, где установлена отлаживаемая система), имеет ограниченный доступ к аппаратному обеспечению, и поэтому весь вывод данных идёт по нуль-модему на второй компьютер.

В современных процессорах архитектуры Intel x86 имеются специальные отладочные регистры (и в стареньком 368-м, и в более новых моделях процессоров их всего восемь, они именуются как DR0-DR7). Эти регистры позволяют отладчику ставить контрольные точки на чтение и запись памяти, а также на порты ввода-вывода. В общем виде всё выглядит именно так, и я не думаю, что стоит сейчас расписывать подробно, за что отвечает каждый из отладочных регистров, какими прерываниями реализуются точки останова и давать прочую подобную информацию. Лучше расскажу о конкретных существующих отладчиках ядра для Windows.

Ну, во-первых, это отладчик, встроенный в само ядро операционной системы. Он есть во всех ОС линейки NT, начиная с Windows 2000. Это часть файла NTOSKRNL.EXE, и включить его можно, задав опцию "/Debug" для операционной системы в BOOT.INI. Этот отладчик нуждается в нуль-модемном соединении и втором компьютере с такой же ОС.

Есть ещё один отладчик ядра от Microsoft - WinDBG. Строго говоря, это не отладчик ядра, а гибридный отладчик, который можно использовать и для отладки приложений уровня пользователя. Он, в отличие от отладчика, встроенного в ядро, имеет графическую оболочку, а потому пользоваться им проще. Этот отладчик также поддерживает специальные расширения, которые могут пригодиться при решении некоторых задач отладки. Но и он для отладки ядра требует два компьютера.

Однако существует отладчик ядра, который может осуществлять отладку на одном-единственном компьютере. Это SoftIce. При этом SoftIce умеет отлаживать и прикладные программы. Использование этого отладчика для пользовательских программ оправдано, например, в случае отладки систем реального времени, привязываемых к системному таймеру. Если выполнять отладку с помощью обыкновенного отладчика, то результат может оказаться неправильным даже при правильной работе программы, а SoftIce остановит и программу, и таймер. Это полезно при отладке многопоточных приложений. Ко всему прочему, SoftIce имеет очень, очень хорошо развитые средства вывода информации обо всех потоках в системе, о синхронизации потоков для многопоточных приложений, информации о handle"ах... Единственный минус этого отладчика - его сложность для прикладного программиста. Но из отладчиков ядра это самый простой и эффективный.

Для самых любознательных

Сейчас, конечно, разговор об отладчиках для Windows-приложений не так актуален, как ещё лет десять назад. Весь мир заинтересовался Интернетом, и основными пользователями SoftIce стали крякеры, неутомимые труженики на ниве пиратства. Тем не менее, это не так уж плохо. Общение с SoftIce"ом, несомненно, развивает человека в плане знаний о компьютере, хотя, конечно, если общаться только с отладчиками и не общаться с живыми людьми, возможны некоторые побочные эффекты. Ну, об этом, я думаю, все и так догадываются.

Отладчики - одни из самых своеобразных видов программного обеспечения, но в плане разработки даже отладчики программ уровня пользователя довольно сложны. Но, тем не менее, если у вас есть желание и время для того, чтобы разработать собственный отладчик, ваши знания в области операционных систем и программирования существенно возрастут, а значит, возрастут и шансы на высокооплачиваемую работу.

Итак, если вам хочется создать собственный отладчик, то сначала стоит ознакомиться с материалами на эту тему. На мой взгляд, самым лучшим пособием для начала будет книга Джона Роббинса "Отладка Windows-приложений". Она уже старая, 2001-го года издания, но информация, изложенная в ней, актуальна и сейчас, поскольку имеет общий, даже в некотором роде фундаментальный характер. В этой книге есть примеры написания отладчиков для Windows, кроме того, она пригодится вам, если вы программируете на C++ и хотите лучше разобраться в обработке исключений. Собственно, именно из этой книги я и почерпнул сведения об отладчиках, изложенные в статье. Если же найти эту книгу не получится (всё-таки, она уже довольно старая), есть несколько адресов, которые могут вам пригодиться. Первый - вот такой: www.xakep.ru/post/19158/default.asp . Эта статья из журнала "Хакер" несколько подробнее рассказывает об отладчиках ядра, чем это сделал я, а кроме того, в ней приведён код простейшего отладчика. А по адресу kalashnikoff.ru/Assembler/issues/016.htm можно узнать о том, как написать DOS-отладчик. Но, конечно, лучше всего читать MSDN и попутно найти какой-нибудь отладчик с открытыми исходными текстами, чтобы в нём разобраться. Ну и, конечно, если вы взялись за написание отладчика, то успехов вам в этом нелёгком деле!