GDB（即 GNU Project Debugger）有一个成熟的宏功能，允许您完全按照自己所需的工具来对 GDB 进行个性化和自定义。提供有关自定义命令的帮助文档的机制还使它成为一个可与其他人共享的便利工具。
关于本主题的前一篇文章“Fun with strace and GDB”提供了相关基础知识，介绍了如何使用这些工具来探索您的系统并附加到已在运行的程序，以了解它们正在做的工作。本文继续讨论该调试器的自定义，以使其使用体验更加个性化和更加高效。
当 GDB（即 GNU Project Debugger）启动时，它在当前用户的主目录中寻找一个名为 .gdbinit 的文件；如果该文件存在，则 GDB 就执行该文件中的所有命令。通常，该文件用于简单的配置命令，如设置所需的缺省汇编程序格式（Intel® 或 Motorola）或用于显示输入和输出数据的缺省基数（十进制或十六进制）。它还可以读取宏编码语言，从而允许实现更强大的自定义。该语言遵循如下基本格式：
define <command>
<code>
end
document <command>
<help text>
end
|
该命令称为用户命令。可以将所有其他标准 GDB 命令与流控制指令结合使用并向其传递参数，从而创建一种语言，以允许为正在调试的特定应用程序而自定义调试器的行为。
从简单开始：清屏
从简单开始并在此基础上逐步发展始终是个好主意。启动 xterm，调出您最喜欢的编辑器，让我们开始创建一个有用的 .gdbinit 文件吧！调试器产生的输出可能非常零乱，根据个人偏好，在使用任何可能产生混乱的工具时，许多人都希望能够清屏。GDB 没有用于清屏的内置命令，但它可以调用 shell 函数；下面的代码跳到调试器之外以使用 cls 命令来清除 xterm 控制台：
define cls
shell clear
end
document cls
Clears the screen with a simple command.
end
|
此定义的上半部分（在 define ... end 动词所界定的范围内）构成了在调用该命令时所执行的代码。
此定义的下半部分（在 document ... end 所界定的范围内）由 GDB 命令解释器使用，用于在您键入 help cls 时显示与 cls 命令关联的文本。
在将该代码键入 .gdbinit 文件以后，调出 GDB 并输入 cls 命令。此时屏幕被清除，您所看到的就只有 GDB 提示符。您的 GDB 自定义之旅已经开始了！
文档的重要性
如果输入 help user 命令，您会看到已在 .gdbinit 文件中输入的所有用户命令的摘要。.gdbinit 用户定义命令的设计者提供了一个重要特性，您在编写自己的命令时不应忽略该特性：document ... end 子句。随着这些命令数量的增加，维护有关命令如何工作的功能文档将变得非常关键。
您可能已经遇到过此问题。假设您在若干年前编写了一些代码；后来当您重新处理它（也许是为了修正错误或通过添加新特性来修改它）时，您发现自己很难理解您自己的代码。优秀的程序员习惯将代码保持得简短、简单和具有良好的文档记录，以便使其可维护。
适用于编程代码的一般规则也适用于调试器代码。当您在这个最有价值的职业中披荆斩棘地拼搏时，保留仔细的注释和有良好文档记录的代码将为您带来丰厚的回报。
GDB 的社区使用
人类通过多种方式学习新知识，包括研究其他人已做的工作。初学的汽车工程师首先打开他们第一辆车的发动机罩，拔出他们的工具，开始拆卸部件以进行清理和研究。此类活动使他们能够在保持汽车清洁的同时，还了解了汽车引擎是如何工作的。
初学的计算机科学家也没有什么不同，因为他们想了解程序究竟是如何工作的——它们如何与动态库和本机操作系统交互。用于查看这些程序如何工作的工具就是调试器。计算机编程是一项复杂的活动，通过与志趣相投的人群社区交流、提问并获得答案，新的计算机科学家能够满足他们对知识的需要。
在全球编程社区中，始终存在大量渴求知识的人。他们不再满足于在计算机上运行程序——他们还想知道得更多。他们想知道这些程序是如何运行的，并乐此不疲地使用最适当的可用工具来探索系统的功能：调试器。通过逆向工程（一种在调试器下运行程序并密切注意它们如何完成所做的工作，从而了解程序工作原理的方法），您可以从所研究程序的创作者已完成的工作中学到大量的知识。编程中涉及的大量底层详细信息没有相关的文档记录；了解它们的唯一方法就是在它们的实际工作中观察它们。
逆向工程背上了不应有的坏名声，仿佛那只是黑客和犯罪分子企图破坏副本保护系统和编写蠕虫及病毒来对计算机世界造成损害才会干的事情。虽然存在这样的人，但绝大多数使用调试器和逆向工程来研究程序如何工作的人都是当前和将来的软件工程师，他们希望并需要知道这些程序是如何工作的。他们已形成了在线社区以共享他们的知识和发现；抵制该活动是非建设性的，会阻碍计算机科学的未来发展。
本文中定义的许多用户函数就来自于此类知识渴求者的社区。如果希望了解有关他们的更多信息，建议您研究本文的参考资料部分所提到的网站。
断点别名
许多 GDB 命令太繁琐，这是众所周知的事实。尽管可以对它们进行缩写，但是 GDB 宏语言允许实现进一步的简化。诸如 info breakpoints 这样的命令可以变得像 bpl 一样简单。清单 1 显示了一组此类简单和高度有用的断点别名 用户命令，您可以将它们添加到不断增长的 .gdbinit 文件中。
清单 1：断点别名命令
define bpl
info breakpoints
end
document bpl
List breakpoints
end
define bp
set $SHOW_CONTEXT = 1
break * $arg0
end
document bp
Set a breakpoint on address
Usage: bp addr
end
define bpc
clear $arg0
end
document bpc
Clear breakpoint at function/address
Usage: bpc addr
end
define bpe
enable $arg0
end
document bpe
Enable breakpoint #
Usage: bpe num
end
define bpd
disable $arg0
end
document bpd
Disable breakpoint #
Usage: bpd num
end
define bpt
set $SHOW_CONTEXT = 1
tbreak $arg0
end
document bpt
Set a temporary breakpoint on address
Usage: bpt addr
end
define bpm
set $SHOW_CONTEXT = 1
awatch $arg0
end
document bpm
Set a read/write breakpoint on address
Usage: bpm addr
end
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一旦您习惯了使用断点别名命令，调试会话就变得更有价值了；这些命令极大地提高了调试器的效率，因为它能使您事半功倍。
显示进程信息
用户定义的 GDB 命令可由其他用户定义的命令调用，从而为各方都带来更高的效率。这就是编程语言的递增性质——编写底层函数，逐渐由更高层的函数调用，直到您只需最少的工作即可让那些工具方便地完成您想要它们完成的任务。要整合到 .gdbinit 文件中的下一组 GDB 定义将在进程被调用时显示有用的进程信息，如清单 2 所示。
清单 2： 进程信息命令
define argv
show args
end
document argv
Print program arguments
end
define stack
info stack
end
document stack
Print call stack
end
define frame
info frame
info args
info locals
end
document frame
Print stack frame
end
define flags
if (($eflags >> 0xB) & 1 )
printf "O "
else
printf "o "
end
if (($eflags >> 0xA) & 1 )
printf "D "
else
printf "d "
end
if (($eflags >> 9) & 1 )
printf "I "
else
printf "i "
end
if (($eflags >> 8) & 1 )
printf "T "
else
printf "t "
end
if (($eflags >> 7) & 1 )
printf "S "
else
printf "s "
end
if (($eflags >> 6) & 1 )
printf "Z "
else
printf "z "
end
if (($eflags >> 4) & 1 )
printf "A "
else
printf "a "
end
if (($eflags >> 2) & 1 )
printf "P "
else
printf "p "
end
if ($eflags & 1)
printf "C "
else
printf "c "
end
printf "/n"
end
document flags
Print flags register
end
define eflags
printf " OF <%d> DF <%d> IF <%d> TF <%d>",/
(($eflags >> 0xB) & 1 ), (($eflags >> 0xA) & 1 ), /
(($eflags >> 9) & 1 ), (($eflags >> 8) & 1 )
printf " SF <%d> ZF <%d> AF <%d> PF <%d> CF <%d>/n",/
(($eflags >> 7) & 1 ), (($eflags >> 6) & 1 ),/
(($eflags >> 4) & 1 ), (($eflags >> 2) & 1 ), ($eflags & 1)
printf " ID <%d> VIP <%d> VIF <%d> AC <%d>",/
(($eflags >> 0x15) & 1 ), (($eflags >> 0x14) & 1 ), /
(($eflags >> 0x13) & 1 ), (($eflags >> 0x12) & 1 )
printf " VM <%d> RF <%d> NT <%d> IOPL <%d>/n",/
(($eflags >> 0x11) & 1 ), (($eflags >> 0x10) & 1 ),/
(($eflags >> 0xE) & 1 ), (($eflags >> 0xC) & 3 )
end
document eflags
Print entire eflags register
end
define reg
printf " eax:%08X ebx:%08X ecx:%08X ", $eax, $ebx, $ecx
printf " edx:%08X eflags:%08X/n", $edx, $eflags
printf " esi:%08X edi:%08X esp:%08X ", $esi, $edi, $esp
printf " ebp:%08X eip:%08X/n", $ebp, $eip
printf " cs:%04X ds:%04X es:%04X", $cs, $ds, $es
printf " fs:%04X gs:%04X ss:%04X ", $fs, $gs, $ss
flags
end
document reg
Print CPU registers
end
define func
info functions
end
document func
Print functions in target
end
define var
info variables
end
document var
Print variables (symbols) in target
end
define lib
info sharedlibrary
end
document lib
Print shared libraries linked to target
end
define sig
info signals
end
document sig
Print signal actions for target
end
define thread
info threads
end
document thread
Print threads in target
end
define u
info udot
end
document u
Print kernel 'user' struct for target
end
define dis
disassemble $arg0
end
document dis
Disassemble address
Usage: dis addr
end
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十六进制和 ASCII 转储命令
要整合进 .gdbinit 文件中的下一组定义包括增强的十六进制和 ASCII 转储函数，如清单 3 所示。程序员注意：若想创建卓越的软件，则应添加宏编程功能，从而允许用户社区能够增强您的工具以适应他们自己的偏好。GDB 就是一个卓越的软件！
清单 3: 十六进制和 ASCII 转储命令
define ascii_char
set $_c=*(unsigned char *)($arg0)
if ( $_c < 0x20 || $_c > 0x7E )
printf "."
else
printf "%c", $_c
end
end
document ascii_char
Print the ASCII value of arg0 or '.' if value is unprintable
end
define hex_quad
printf "%02X %02X %02X %02X %02X %02X %02X %02X", /
*(unsigned char*)($arg0), *(unsigned char*)($arg0 + 1), /
*(unsigned char*)($arg0 + 2), *(unsigned char*)($arg0 + 3), /
*(unsigned char*)($arg0 + 4), *(unsigned char*)($arg0 + 5), /
*(unsigned char*)($arg0 + 6), *(unsigned char*)($arg0 + 7)
end
document hex_quad
Print eight hexadecimal bytes starting at arg0
end
define hexdump
printf "%08X : ", $arg0
hex_quad $arg0
printf " - "
hex_quad ($arg0+8)
printf " "
ascii_char ($arg0)
ascii_char ($arg0+1)
ascii_char ($arg0+2)
ascii_char ($arg0+3)
ascii_char ($arg0+4)
ascii_char ($arg0+5)
ascii_char ($arg0+6)
ascii_char ($arg0+7)
ascii_char ($arg0+8)
ascii_char ($arg0+9)
ascii_char ($arg0+0xA)
ascii_char ($arg0+0xB)
ascii_char ($arg0+0xC)
ascii_char ($arg0+0xD)
ascii_char ($arg0+0xE)
ascii_char ($arg0+0xF)
printf "/n"
end
document hexdump
Display a 16-byte hex/ASCII dump of arg0
end
define ddump
printf "[%04X:%08X]------------------------", $ds, $data_addr
printf "---------------------------------[ data]/n"
set $_count=0
while ( $_count < $arg0 )
set $_i=($_count*0x10)
hexdump ($data_addr+$_i)
set $_count++
end
end
document ddump
Display $arg0 lines of hexdump for address $data_addr
end
define dd
if ( ($arg0 & 0x40000000) || ($arg0 & 0x08000000) || ($arg0 & 0xBF000000) )
set $data_addr=$arg0
ddump 0x10
else
printf "Invalid address: %08X/n", $arg0
end
end
document dd
Display 16 lines of a hex dump for $arg0
end
define datawin
if ( ($esi & 0x40000000) || ($esi & 0x08000000) || ($esi & 0xBF000000) )
set $data_addr=$esi
else
if ( ($edi & 0x40000000) || ($edi & 0x08000000) || ($edi & 0xBF000000) )
set $data_addr=$edi
else
if ( ($eax & 0x40000000) || ($eax & 0x08000000) || /
($eax & 0xBF000000) )
set $data_addr=$eax
else
set $data_addr=$esp
end
end
end
ddump 2
end
document datawin
Display esi, edi, eax, or esp in the data window
end
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流程上下文命令
最后，当您调试正在运行的进程时，获得进程上下文的总体视图通常是必要的。清单 4 中有用的进程上下文命令是使用前面定义的数据转储函数来构建的。
清单 4: 进程上下文命令
define context
printf "_______________________________________"
printf "________________________________________/n"
reg
printf "[%04X:%08X]------------------------", $ss, $esp
printf "---------------------------------[stack]/n"
hexdump $sp+0x30
hexdump $sp+0x20
hexdump $sp+0x10
hexdump $sp
datawin
printf "[%04X:%08X]------------------------", $cs, $eip
printf "---------------------------------[ code]/n"
x /6i $pc
printf "---------------------------------------"
printf "---------------------------------------/n"
end
document context
Print regs, stack, ds:esi, and disassemble cs:eip
end
define context-on
set $SHOW_CONTEXT = 1
end
document context-on
Enable display of context on every program stop
end
define context-off
set $SHOW_CONTEXT = 1
end
document context-on
Disable display of context on every program stop
end
# Calls "context" at every breakpoint.
define hook-stop
context
end
# Init parameters
set output-radix 0x10
set input-radix 0x10
set disassembly-flavor intel
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hook-stop 是 GDB 在每次发生断点事件时调用的特殊定义。此例中生成了 context 清单，以便您能清楚看到处理器执行每条指令的结果。
具有新功能的调试会话
让我们试验一下这组新工具，以了解它们在调试我们的“老朋友”（由 IBM developerWorks 供稿作家 Nigel Griffiths 编写的 nweb 服务器代码）时的工作情况。（请参见参考资料部分以获得指向 Nigel 的文章“nweb: a tiny, safe Web server (static pages only)”的链接。）
在将 es-nweb.zip 文件下载到 $HOME/downloads 目录后，键入如下命令以提取、编译和运行 nweb。（请注意，这里假设您是将该程序编译到中央处理单元 (CPU) 为 Intel Pentium 的 Linux® 工作站——该 .gdbinit 代码是仅为 Intel Pentium 类型的处理器和兼容处理器而编写的。）
$ cd src
$ mkdir nweb
$ cd nweb
$ unzip $HOME/downloads/es-nweb.zip
$ gcc -ggdb -O -DLINUX nweb.c -o nweb
$ ./nweb 9090 $HOME/src/nweb &
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注意：此示例中的 -ggdb 选项与 Nigel 文章中所述的选项不同，因为它告诉 GNU 编译器集 (GCC) 优化该程序，以便于使用 GDB 来进行调试。
接下来，为验证 nweb 服务器正在运行，可使用 ps 命令来对它进行检查。
$ ps
PID TTY TIME CMD
2913 pts/5 00:00:00 bash
4009 pts/5 00:00:00 nweb
4011 pts/5 00:00:00 ps
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最后，在您的计算机上启动 Web 浏览器，并在地址栏键入：http://localhost:9090。
下一步是启动 GDB，并与以前一样附加到当前运行的 nweb 实例，如 清单 5 所示。
清单 5：运行 GDB
$ gdb --quiet
(gdb) attach 4009
Attaching to process 4009
Reading symbols from /home/bill/src/nweb/nweb...done.
Reading symbols from /lib/tls/libc.so.6...done.
Loaded symbols for /lib/tls/libc.so.6
Reading symbols from /lib/ld-linux.so.2...done.
Loaded symbols for /lib/ld-linux.so.2
_______________________________________________________________________________
eax:FFFFFE00 ebx:00000005 ecx:BFFFF680 edx:00000001 eflags:00000246
esi:00000005 edi:00000000 esp:BFFFF66C ebp:BFFFF6A8 eip:FFFFE410
cs:0073 ds:007B es:007B fs:0000 gs:0033 ss:007B o d I t s Z a P c
[007B:BFFFF66C]---------------------------------------------------------[stack]
BFFFF69C : 14 0A 13 42 60 53 01 40 - 24 8F 04 08 C8 F6 FF BF ...B`S.@$.......
BFFFF68C : A6 8E 04 08 14 0A 13 42 - 70 C6 00 40 10 00 00 00 .......Bp..@....
BFFFF67C : 82 8E 04 08 00 00 00 00 - C4 C6 04 08 98 F6 FF BF ................
BFFFF66C : A8 F6 FF BF 01 00 00 00 - 80 F6 FF BF 81 EA 0D 42 ...............B
[007B:FFFFFE00]---------------------------------------------------------[ data]
FFFFFE00 : Error while running hook_stop:
Cannot access memory at address 0xfffffe00
0xffffe410 in ?? ()
(gdb)
|
-quiet 选项告诉 GDB 调试器仅显示其提示符，而不要显示所有其他通常显示的启动信息。如果需要显示额外的文本信息，可以去掉-quiet 选项。
attach 4009 命令开始对当前正在运行的 nweb 服务器的调试，并且 GDB 调试器通过读取有关该进程的所有符号信息来做出同样方式的响应。
您将会注意到 context 代码运行并显示大量有关当前进程的有用信息，但它不能访问数据段中的内存。这不是个严重问题，并且应该忽略它。有时，保护模式处理器的保护方案不允许您看到您可能希望看到的所有内容。在此情况下，该问题并不重要。
下一步，使用 info 命令来列出有关您所研究的程序的信息（请参见清单 6）。
清单 6：info 命令列出程序信息
(gdb) info proc
process 4009
cmdline = './nweb'
cwd = '/home/bill/src/nweb'
exe = '/home/bill/src/nweb/nweb'
(gdb)
|
在其运行过程中进行观察
由于您所观察的是一个实际运行的程序，所以可以设置相应的断点，然后在它响应浏览器请求并向发出请求的浏览器传输 .html 和 .jpg 文件时，对该程序进行观察。清单 7 表明了如何完成该任务。
清单 7：设置断点
(gdb) b 188
Breakpoint 1 at 0x8048e70: file nweb.c, line 188.
(gdb) commands 1
Type commands for when breakpoint 1 is hit, one per line.
End with a line saying just "end".
>continue
>end
(gdb) c
Continuing.
|
此时，GDB 调试工具已设置为在 nweb 服务器接受 浏览器请求时所在的行中断，调试器将简单地显示请求并继续处理其他请求，而不会中断正在运行的程序。刷新几次浏览器中的 http://localhost:9090/ 页面，可以观察到，GDB 调试器显示了断点并继续运行。
在刷新浏览器页面的同时，您应该看到如清单 8 所示的断点信息，在 GDB 调试器 xterm 中滚动输出。还可以通过按 Ctrl+C 来停止在 nweb 服务器中的调试。停止跟踪以后，可以通过键入 quit 命令来退出 GDB 调试器。
清单 8： GDB 调试器 xterm 中的断点信息
_______________________________________________________________________________
eax:00000000 ebx:00000001 ecx:00000000 edx:00000001 eflags:00000206
esi:00000006 edi:00000000 esp:BFFFF690 ebp:BFFFF6A8 eip:08048E70
cs:0073 ds:007B es:007B fs:0000 gs:0033 ss:007B o d I t s z a P c
[007B:BFFFF690]---------------------------------------------------------[stack]
BFFFF6C0 : 03 00 00 00 D4 86 04 08 - 00 00 00 00 F5 86 04 08 ................
BFFFF6B0 : 03 00 00 00 F4 F6 FF BF - 04 F7 FF BF 2C 58 01 40 ............,X.@
BFFFF6A0 : 60 53 01 40 24 8F 04 08 - C8 F6 FF BF 04 55 01 42 `S.@$........U.B
BFFFF690 : 14 0A 13 42 70 C6 00 40 - 10 00 00 00 14 0A 13 42 [email protected]
[007B:BFFFF690]---------------------------------------------------------[ data]
BFFFF690 : 14 0A 13 42 70 C6 00 40 - 10 00 00 00 14 0A 13 42 [email protected]
BFFFF6A0 : 60 53 01 40 24 8F 04 08 - C8 F6 FF BF 04 55 01 42 `S.@$........U.B
[0073:08048E70]---------------------------------------------------------[ code]
0x8048e70 <main+718>: sub esp,0x4
0x8048e73 <main+721>: lea eax,[ebp-16]
0x8048e76 <main+724>: push eax
0x8048e77 <main+725>: push 0x804c6c4
0x8048e7c <main+730>: push edi
0x8048e7d <main+731>: call 0x80485e4 <accept>
------------------------------------------------------------------------------
Breakpoint 1, main (argc=3, argv=0x1) at nweb.c:188
188 if((socketfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cli_addr, &length)) < 0)
Program received signal SIGINT, Interrupt.
0xffffe410 in ?? ()
(gdb) quit
The program is running. Quit anyway (and detach it)? (y or n) y
Detaching from program: /home/bill/src/nweb/nweb, process 4009
$
|
可以看到，context 函数所显示的信息远比您通常使用缺省 GDB hook_stop 函数所看到的信息更详细。（您还会注意到，现在也可以访问数据段了。）使用这些 GDB 增强，您可以看到每次到达断点和执行每步操作时的确切 CPU 状态。单步执行每个命令并观察寄存器和内存值如何受影响，这也是学习 Intel 机器语言命令基础知识的理想方法。
与所有程序一样，.gdbinit 文件中的代码提供了无穷无尽的增强和改进机会。无论如何，这都不是结束！强烈建议您使用这里描述的命令，并为不断增长的 .gdbinit 自定义集添加更多命令。在您研究和使用这些工具时，请与更广泛的社区分享它们，以使每个人都能增长知识。
