调试器的基础知识

2019.11.24

序：

尽管昨天排了一整天的队去体测，不过使用晚上的时间，也终于是看完了第2章的内容。 第2章的内容主要是介绍了寄存器、栈和3种调试断点等调试器的基础知识。

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调试器

一.通用寄存器

1. 寄存器们

通用寄存器是在CPU上的几个小存储单位，不同的寄存器却有着不同的作用，以下列出几种通用寄存器的作用。

寄存器	作用
EAX	存储函数的返回值，或者进行累加器的作用（高级可做乘除）
EDX	存储数据，一般是辅佐EAX完成计算作业
ECX	存储循环操作的下标，但其下标是递减的（由大到小）
ESI	存储输入数据的地址（指向输入源）
EDI	存储目的数据的地址（指向输出源）
ESP	当有函数被调用时，指向栈顶的指针
EBP	在有函数被调用时，指向栈底的指针；平时是普通寄存器
EBX	保留，以待不时之需
EIP	指向马上要执行的指令的地址

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二. 栈

栈（stack）又名堆栈，它是一种运算受限的线性表。限定仅在表尾进行插入和删除操作的线性表。这一端被称为栈顶，相对地，把另一端称为栈底。 向一个栈插入新元素又称作进栈、入栈或压栈，它是把新元素放到栈顶元素的上面，使之成为新的栈顶元素；从一个栈删除元素又称作出栈或退栈，它是把栈顶元素删除掉，使其相邻的元素成为新的栈顶元素。

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1. 图示

栈的工作原理

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三.调试断点

一个优秀的调试器必须要能捕捉到不同的调试事件。一般在启用调试器之后，调试器会不断循环，直到捕捉到一个调试事件，这个行为称为 陷入，之后CPU便会收到中断请求从而暂停，黑客们可以在此时查看各变量、堆栈的地址和内容，监视程序的细节。 而断点便是人为地暂停程序进行调试的手段，于是便有了以下3种调试断点。

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I. 软件断点

1. 必要知识：关于操作码:

对于我们平时使用的高级语言写的语句，都会在编译过程中转译为汇编语言，例如

汇编指令

尽管如此，CPU还是完完全全不能明白这个指令的，所以在进行汇编这一步之后， 汇编指令就会被转化成CPU可以理解的语言：操作码。 举个例子，上述的例子将会被转换成:

操作码

其中0x44332211是指令的地址。 一般的调试器都会如上显示信息：地址、操作码、汇编指令。

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2. 软件断点的具体操作原理

• 操作码是两个字节组成的，当我们给某一个代码设置一个断点之后， 系统会获取代码（指令）的地址，并将操作码的前一个字节修改成3号中断信号（INT 3），其值为0xCC，随后保存原操作码的前一个字节的内容；并将代码的地址加入到中断列表中。
• 当程序运行调试时， 如果遇到操作码前一个字节是3号中断信号，便去查找当前代码地址是否在中断列表中，如在，便将保存了的原操作码前一个字节的内容写回操作码中，并使用3号中断信号时CPU暂停。 此时变可以监视程序中变量的值了。
• 断点分为 一次性断点 和 持久性断点，后者会在执行了一次断点之后，再次修改当前地址的操作码，才执行下一句，以达到每次到这一次的语句时都能中断的效果。

• 示意图

  
  
  软件断点示意图

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3. 软件断点的问题

由于软件断点是通过修改操作码来实现中断的， 所以它会导致冗余校验码(CRC)发生改变，从而在调试之后验证失败。 如果他人的程序有写防止他人软件断点测试的代码，一定会检验冗余校验码，如果被修改，则进行 自我了断（kill itself）， 防止别人继续调试。所以这就有可能导致我们无法监视想要监视的程序。

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II. 硬件断点

1. 原理

• 在CPU中有8个专门用于调试的调试寄存器，记作DR0~DR7。以下为它们的作用。

寄存器名称	作用
DR0~DR3	存储硬件断点的信息（地址、操作码等）
DR4~DR5	保留，以备不时之需
DR6	状态寄存器
DR7	存储所有硬件断点的开关信息（DR0~DR3的状态和信息）

• DR7可以设置以下3种情况的中断:
  
  DR7可设置的3种中断
• 以下为DR7记录的信息的类型

断点类型	断点长度
00 - 在执行指令时中断	00 - 1byte
01 - 在可以写入数据时中断	01 - 2 bytes[WORD]
11 - 在有数据可读写但不执行时	11 - 4 bytes[DWORD]

DR7的详情

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2. 硬件断点的具体操作原理

• 调试器不断循环， 并一直都在检查当前代码是否设置了断点或是否在中断列表中，或者当前代码调用了再中断列表中的代码， 当检查到断点时，若未设置到硬件断点中，则将具体信息写入DR7，并将断点写入DR0~DR3中最小且空闲的一个中，其后仍继续循环检查。
• 当碰到断点时，使用1号中断信号（INT 1）来发起中断请求，CPU暂停。

• 示意图

  
  
  硬件断点操作过程

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3. 问题：

虽可以在不修改数据的前提下设置断点，同一时间可以设置的断点数量至多为4个，且每个断点只能监视一个地址，无法同时监视一个内存块。

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III. 内存断点

1. 具体操作原理

• 内存断点实际上不是一种断点，它的实质是修改内存页的权限，将一块内存设置为保护页（Guard Page），当有对保护页的访问时，抛出异常，CPU会暂停，从而达到暂停的效果。

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