深入理解debuginfo(转载)

一、关于debuginfo的疑惑
程序员应该都知道,为了能够使用gdb跟踪程序,需要在编译期使用gcc的-g选项。而对于系统库或是Linux内核,使用gdb调试或使用systemtap探测时,还需要安装相应的debuginfo包。

what is systemtap ?
https://segmentfault.com/a/1190000010774974

例如glibc及它的debuginfo包为:

image.png

...

于是我不禁有如下这些疑问:

glibc-debuginfo中包含了什么信息?

glibc-debuginfo是如何创建出来的?

gdb或systemtap,是如何把glibc与glibc-debuginfo关联起来的?

本文将通过一些例子,来解答这些问题。

二、debuginfo中包含了什么信息?
让我们来看看glibc-debuginfo中,包含有什么内容:

[yunkai@fedora t]$ rpm -ql glibc-debuginfo-2.18-12.fc20.x86_64

/usr/lib/debug

/usr/lib/debug/.build-id

/usr/lib/debug/.build-id/00

/usr/lib/debug/.build-id/00/a32f1b9405f5fcd41a7618f3c2c895ee4aab09

/usr/lib/debug/.build-id/00/a32f1b9405f5fcd41a7618f3c2c895ee4aab09.debug

…

/usr/lib/debug/lib64/libthread_db.so.1.debug

/usr/lib/debug/lib64/libutil-2.18.so.debug

/usr/lib/debug/lib64/libc-2.18.so.debug

…

/usr/src/debug/glibc-2.18/wcsmbs/wcwidth.h

/usr/src/debug/glibc-2.18/wcsmbs/wmemchr.c

/usr/src/debug/glibc-2.18/wcsmbs/wmemcmp.c

由上可见,glibc-debuginfo大致有三类文件:

存放在/usr/lib/debug/下的:.build-id/nn/nnn...nnn.debug文件,文件名是hash key。

存放在/usr/lib/debug/下的其它*.debug文件,其文件名,是库文件名+.debug后缀。

glibc的源代码

当使用gdb调试时,需要在机器码与源代码之间,建立起映射关系。这就需要三个信息:

机器码:可执行文件、动态链接库,例如:/lib64/libc-2.18.so

源代码:显然就是glibc-debuginfo中,包含的.c和.h等源文件。

映射关系:你应该猜到了,它们就保存在*.debug文件中。

三、debuginfo是如何创建出来的?
当我们使用gcc的-g选项编译程序时,机器码与源代码的映射关系,会被默认地与可执行程序、动态链接库合并在一起。例如下面a.out可执行程序,已经包含了映射关系:

[yunkai@fedora t]$ nl main.c
`

1  #include 
 2  int main()
 3  {
 4    printf("hello, world!\n");
 5    return 0;
 6  }

`

[yunkai@fedora t]$ gcc -g main.c

[yunkai@fedora t]$ ls -l

total 16

-rwxrwxr-x 1 yunkai yunkai 9502 Apr 9 14:55 a.out

-rw-rw-r-- 1 yunkai yunkai 76 Apr 9 14:49 main.c

把映射关系等调试信息,与可执行文件、动态链接库合并在一起,会带来一个显著的问题:可执行文件或库的Size变得很大。这对于那些不关心调试信息的普通用户,是不必要的。

例如,Linux的内核,如果带上Debuginfo,会无谓的增加几百M的大小。如果一个Linux操作系统的所有库都带上各自的Debuginfo,那么光是一个干净的操作系统,就需要浪费掉几G甚至十几G的磁盘空间。如果是通过网络安装,还将浪费所有用户的带宽,并显著的拖慢安装的进度。正是了为解决这个问题,在Linux上的各种程序和库,在生成RPM时,就已经把Debuginfo单独的抽取出来,因此形成了独立的debuginfo包。

问题是,如何让程序生成分离的debuginfo呢?我们可以通过objcopy命令的--only-keep-debug选项来实现,下面的命令把调试信息从a.out中读取出来,写到a.out.debug文件中:

[yunkai@fedora t]$ objcopy --only-keep-debug ./a.out a.out.debug

[yunkai@fedora t]$ ls -l

total 24

-rwxrwxr-x 1 yunkai yunkai 9502 Apr 9 14:55 a.out

-rwxrwxr-x 1 yunkai yunkai 6022 Apr 9 15:22 a.out.debug

-rw-rw-r-- 1 yunkai yunkai 76 Apr 9 14:49 main.c

既然已经把调试信息,保存到了a.out.debug文件中,就可以通过objcopy的--strip-debug选项给a.out瘦身了(也可以使用strip --strip-debug ./a.out,效果一样):

[yunkai@fedora t]$ objcopy --strip-debug ./a.out

[yunkai@fedora t]$ ls -l

total 24

-rwxrwxr-x 1 yunkai yunkai 8388 Apr  9 15:27 a.out

-rwxrwxr-x 1 yunkai yunkai 6022 Apr  9 15:22 a.out.debug

-rw-rw-r-- 1 yunkai yunkai   76 Apr  9 14:49 main.c

当把调试信息从a.out中清除后,使用gdb对a.out进行调试,会报no debugging symbols found:

[yunkai@fedora t]$ gdb ./a.out

GNU gdb (GDB) Fedora 7.6.50.20130731-19.fc20

...
Reading symbols from /home/yunkai/t/a.out...(no debugging symbols found)...done.

(gdb) 

显然,gdb找不到调试信息了。因此,我们需要在a.out中埋下一些线索,以便gdb借助这些线索,可以正确地查找到它对应的debug文件:a.out.debug。

在Linux下,可执行文件或库,通常是ELF(Executable and Linkable Format)格式。这种格式,含有session headers。而调试信息的线索,正好可以通过一个约定的session header来保存,它叫.gnu_debuglink。可通过objcopy的--add-gnu-debuglink选项,把调试信息的文件名(a.out.debug)保存到a.out的.gnu_debuglink这个header中。然后gdb就可以正常调试了:

[yunkai@fedora t]$ objcopy --add-gnu-debuglink=a.out.debug ./a.out

[yunkai@fedora t]$ objdump -s -j .gnu_debuglink ./a.out


./a.out:     file format elf64-x86-64


Contents of section .gnu_debuglink:

 0000 612e6f75 742e6465 62756700 3fe5803b  a.out.debug.?..;

[yunkai@fedora t]$ gdb a.out

...

Reading symbols from /home/yunkai/t/a.out...Reading symbols from /home/yunkai/t/a.out.debug...done.

上面的objcopy命令,其实是把a.out.debug的文件名以及这个文件的CRC校验码,写到了.gnu_debuglink这个header的值中,但是并没有告诉a.out.debug所在的路径(上面通过objdump命令,可以打印出.gnu_debuglink这个header的内容)。

那么gdb是按照怎样的规则,去查找a.out.debug文件呢?在解答这个问题之前,我们先来看另一个session header,叫.note.gnu.build-id:

[yunkai@fedora t]$ readelf -t ./a.out | grep build-id

  [ 3] .note.gnu.build-id

[yunkai@fedora t]$ readelf -n ./a.out

...

Notes at offset 0x00000274 with length 0x00000024:

  Owner                 Data size       Description

  GNU                  0x00000014       NT_GNU_BUILD_ID (unique build ID bitstring)

    Build ID: 888010ffb999590e7158422ea813169be34085a1


[yunkai@fedora t]$ readelf -n ./a.out.debug 

...

Notes at offset 0x00000274 with length 0x00000024:

  Owner                 Data size       Description

  GNU                  0x00000014       NT_GNU_BUILD_ID (unique build ID bitstring)

    Build ID: 888010ffb999590e7158422ea813169be34085a1

这个session header是a.out原生就存在的,因此也被拷贝到了a.out.debug中。这个header,保存了一个Build ID,这个ID是根据a.out文件自动计算出来的,每个执行文件或库,都有它唯一的Build ID。

在第2节中,我们注意到这种文件:.build-id/nn/nnnn...nnnn.debug,前两个“nn”就是它的Build ID前两位,后面的nnnn...nnnn则是Build ID的剩余部分。而这个nnnn...nnnn.debug文件,只是改了个名字而已。

而gdb,则是通过下面的顺序查找a.out.debug文件:

/.build-id/nn/nnnn...nnnn.a.out.debug

/a.out.debug

/.debug/a.out.debug

//a.out.debug

默认为/usr/lib/debug/。可以在gdb中,通过set/show debug-file-directory命令来设置或查看这个值:

[yunkai@fedora t]$ gdb ./a.out

...

(gdb) show debug-file-directory

The directory where separate debug symbols are searched for is "/usr/lib/debug".

既然a.out的Build ID为:888010ffb999590e7158422ea813169be34085a1,可以把a.out.debug文件,移动到/usr/lib/debug/.build-id/88/8010ffb999590e7158422ea813169be34085a1.debug:

[yunkai@fedora t]$ sudo cp a.out.debug \

/usr/lib/debug/.build-id/88/8010ffb999590e7158422ea813169be34085a1.debug

[yunkai@fedora t]$ gdb ./a.out

...

Reading symbols from /home/yunkai/t/a.out...Reading symbols from /usr/lib/debug/.build-id/88/8010ffb999590e7158422ea813169be34085a1.debug...done.

done.

由上可见,gdb就会优先从/usr/lib/debug/.build-id/查找到对应的debug信息。

四、a.out.debug里有什么内容?
gcc目前会默认会采用DWARF 4格式来保存调试信息。可以通过readelf -w来查看DWARF的内容:

[yunkai@fedora t]$ readelf -w ./a.out.debug

...

Contents of the .debug_info section:


  Compilation Unit @ offset 0x0:

   Length:        0x8d (32-bit)

   Version:       4

   Abbrev Offset: 0x0

   Pointer Size:  8

 <0>: Abbrev Number: 1 (DW_TAG_compile_unit)

       DW_AT_producer    : (indirect string, offset: 0x6a): GNU C 4.8.2 20131212 (Red Hat 4.8.2-7) -mtune=generic -march=x86-64 -g

    <10>   DW_AT_language    : 1        (ANSI C)

    <11>   DW_AT_name        : (indirect string, offset: 0x2f): main.c

    <15>   DW_AT_comp_dir    : (indirect string, offset: 0x5b): /home/yunkai/t

...

DWARF内部通过DIE(Debugging Information Entry),形成一颗调用树,DWARF在设计的时候,就考虑到了各种语言的支持,虽然它通常与ELF格式的文件一起工作,但它其实并不依赖ELF。

由于DWARF比较自由的设计,使它不仅支持C/C++,也支持Java/Python等等几乎所有语言的调试信息的表达。

在DWARF里,通常包含:源代码与机器码的映射关系的行号表、宏信息、inline函数的信息、Call Frame信息等。

但对于普通用户,通常不需要了解DWARF的太多细节,如果好奇的话,推荐阅读文献5。

五、在代码中生成Marker探针
通过gcc的-g选项,所有函数名,都会自动的生成相应的debuginfo,供systemtap进行探测,这种方法在英文上称为:Debuginfo-based instrumentation,它的局限性在于,只能收集到函数调用的初始时刻、以及函数返回的结束时刻的上下文信息。

为了解决这个问题,又提出了一种新方法:Compiled-in instrumentation,它可以让程序员,把探针安插到指定的某行代码中,从而可以收集到那行代码执行时的上下文信息,这种探针被称为Marker探针。

编写Marker探针,需要在代码中包含头文件:

include

然后在目标行,插入下面的Marker宏之一:

DTRACE_PROBE(provider, name)

DTRACE_PROBE4(provider, name, arg1, arg2, arg3, arg4)

写好Marker探针并成功编译后,可以使用下面的systemtap指令来查看Marker探针是否生效:
stap -L 'process("/path/to/a.out").mark("*")'

更具体的操作方法详见文献6,值得一提的是,Marker探针是非常轻量的,它几乎对程序的性能没有影响,因为它只会在代码中生成nop汇编指令。它是通过把现场的上下文信息,保存在ELF文件的特定的section header(.stapsdt.base)来实现的,只会增加debuginfo文件的大小。

六、参考文献
http://sourceware.org/gdb/onlinedocs/gdb/Separate-Debug-Files.html

http://sourceware.org/binutils/docs-2.17/binutils/objcopy.html

https://blogs.oracle.com/dbx/entry/gnu_debuglink_or_debugging_system

https://blogs.oracle.com/dbx/entry/creating_separate_debug_info

http://dwarfstd.org/doc/DWARF4.pdf

https://sourceware.org/systemtap/wiki/AddingUserSpaceProbingToApps
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