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linux ptrace 图文详解（六） gdb单步调试

news 来源：原创 2025/4/19 7:44:03

一、gdb单步调试介绍

二、单步调试原理

三、MDSCR_EL1对单步调试的支持、及起作用时机

四、代码实现

五、总结

（代码：linux 6.3.1，架构：arm64）

One look is worth a thousand words. —— Tess Flanders

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一、gdb单步调试介绍

单步调试是一种调试技术，它允许开发者逐行执行程序代码，以便观察程序的执行流程和变量状态。这种调试方式对于理解程序逻辑、定位错误和验证程序行为至关重要。通过单步调试，开发者可以：

逐行执行代码，观察每一行代码的执行结果。
检查程序中变量的值和状态。
观察程序的控制流，包括函数调用和返回。
设置断点，以便在特定条件下暂停程序执行。

单步调试主要包括两种模式：逐行调试（step）和逐指令调试（stepi）。逐行调试以源代码行为单位，适合高层次的逻辑分析；逐指令调试以机器指令为单位，适用于底层分析，如汇编代码或驱动开发。GDB通过与操作系统提供的调试接口（如ptrace）协作，控制目标进程的执行，捕获其状态，并在每个步骤后返回控制权给开发者。

二、单步调试原理

gdb 单步调试主要依赖硬件debug寄存器，以下是gdb单步调试的实现原理：

1）gdb通过ptrace(PTRACE_SINGLESTEP)系统调用陷入内核；

2）ptrace系统调用在内核中找到被调试任务的task_struct对象，并设置TIF_SINGLESTEP标志，代表该任务返回用户态执行时需要使能单步调试功能，并设置该任务内核task_struct对象的寄存器上下文中的spsr，置位DBG_SPSR_SS；

3）接着，将被调试程序添加到内核的ready list中，等待被调度运行，然后ptrace系统调用返回；

4）当内核调度器选中被调试程序调度运行时，会判断其是否置位TIF_SINGLESTEP标志，若置位了话，就将MDSCR_EL1寄存器的SS位置1，使能硬件的单步调试功能；

5）当被调试程序返回用户态执行完第一条指令后，硬件会主动触发一次同步异常并陷入内核；

6）在内核中的异常处理流程中，判断异常类型（EC）为ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW，于是调用相应处理函数，最终给被调试任务发送一个SIGTRAP信号；

7）被调试任务从异常处理流程中返回后，在返回用户态前夕，检查发现有SIGTRAP信号，于是调用ptrace_signal，给父进程gdb发送信号，并唤醒gdb，最后将自己挂起。

三、MDSCR_EL1对单步调试的支持、及起作用时机

MDSCR（Monitor Debug System Control Register）中的第0位，是Software step control bit，用于single step。

在每次进入内核（kernel_entry）的时候、以及从内核返回用户态（ret_to_user）的时候，检查任务的flag是否有TIF_SINGLESTEP，然后调用disable_step_tsk、enable_step_tsk去清除、设置MDSCR_EL1寄存器中的DBG_MDSCR_SS位。（详见：DDI0487J_a_a-profile_architecture_reference_manual.pdf D2.12 Software Step exceptions）

可见，单步异常触发的时机是被调试任务在用户态执行完第一条指令后，立刻触发一个单步异常陷入内核。

四、代码实现

1、ptrace(PTRACE_SINGLESTEP) 内核实现

ptrace(PTRACESINGLESTEP)在内核中的实现，主要就是为被调试任务的task_struct对象中存储的寄存器上下文中的pstate置上DBG_SPSR_SS标志，代表当前任务需要单步调试，后续该任务被调度时，设置对应debug寄存器去使能单步调试功能。

ptrace_requestswitch (request)case PTRACE_SINGLESTEP:ptrace_resume(child, request, data = 0) {clear_task_syscall_work(child, SYSCALL_TRACE)if (is_singlestep(request)) {user_enable_single_step(task = child) {struct thread_info *ti = task_thread_info(task)if (!test_and_set_ti_thread_flag(ti, TIF_SINGLESTEP))	/* 1) Set TIF_SINGLESTEP to tracee. 若该位已设置则返回1, 否则返回0 */set_regs_spsr_ss(task_pt_regs(task)) {set_user_regs_spsr_ss(&(r)->user_regs)regs->pstate |= DBG_SPSR_SS					/* 2) Set DBG_SPSR_SS into child's pstate */}}} else {														/* ### if request is not PTRACE_SINGLESTEP, and clear flag */user_disable_single_stepclear_ti_thread_flag(task_thread_info(task), TIF_SINGLESTEP)}child->exit_code = datawake_up_state(child, __TASK_TRACED)	{							/* 3) Change child's state to TASK_RUNNING and enqueue it into rq */try_to_wake_up												// if child->state equal to __TASK_TRACED, then wake up itttwu_queuettwu_do_activate {activate_task {enqueue_task(rq, p, flags)p->on_rq = TASK_ON_RQ_QUEUED}ttwu_do_wakeup {WRITE_ONCE(p->__state, TASK_RUNNING)}}}}

2、被调试程序在内核中被调度器选中运行时，针对单步调试的处理

在内核schedule过程中，会检查被调试任务是否标记了需要单步调试。若被标记了话，会设置相应的debug寄存器（MDSCR_EL1.SS位），随后返回用户态执行被调试程序。

entry_handler {kernel_entry \el, \regsize {save hardware contextldr	x19, [tsk, #TSK_TI_FLAGS]disable_step_tsk x19, x20										// 4) 进入内核保存现场的时候, 若Task有TIF_SINGLESTEP位,A.K.A															//    则将mdscr_el1的DBG_MDSCR_SS位置0{.macro	disable_step_tsk, flgs, tmptbz	\flgs, #TIF_SINGLESTEP, 9990fmrs	\tmp, mdscr_el1bic	\tmp, \tmp, #DBG_MDSCR_SSmsr	mdscr_el1, \tmpisb	// Synchronise with enable_dbg9990:.endm}}mov	x0, spbl	el\el\ht\()_\regsize\()_\label\()_handlerA.K.Ael0t_64_irq_handler {__el0_irq_handler_commonel0_interruptexit_to_user_mode {prepare_exit_to_user_modeif (unlikely(flags & _TIF_WORK_MASK)) {do_notify_resumeif (thread_flags & _TIF_NEED_RESCHED) {local_daif_restore(DAIF_PROCCTX_NOIRQ)schedule() {									/* 5) schedule tracee */}}}}}.if \el == 0b	ret_to_userA.K.ASYM_CODE_START_LOCAL(ret_to_user) {ldr	x19, [tsk, #TSK_TI_FLAGS]	// re-check for single-stepenable_step_tsk x19, x2A.K.A{.macro	enable_step_tsk, flgs, tmptbz	\flgs, #TIF_SINGLESTEP, 9990fmrs	\tmp, mdscr_el1orr	\tmp, \tmp, #DBG_MDSCR_SS											/* 6) If task has TIF_SINGLESTEP, then set DBG_MDSCR_SS to MDSCR_EL1 */msr	mdscr_el1, \tmp}kernel_exit 0					// It will restore general-purpose register}
}

3、单步调试异常触发后，内核中的处理

当被调试程序在用户态执行完第一条指令后，硬件就会主动触发同步异常陷入内核，异常类型为ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW。在内核中的处理跟前几篇文章断点触发时的处理流程大体相似：将自身挂起，并发送信号给gdb。

entry_handler {kernel_entry \el, \regsize {}mov	x0, spbl	el\el\ht\()_\regsize\()_\label\()_handlerA.K.Ael0t_64_sync_handler {unsigned long esr = read_sysreg(esr_el1)switch (ESR_ELx_EC(esr))			// #define ESR_ELx_EC(esr)		(((esr) & ESR_ELx_EC_MASK) >> ESR_ELx_EC_SHIFT)	 获取ESR中的EC所对应的6位内容case ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW:		// #define ESR_ELx_EC_SOFTSTP_LOW	(0x32, aka: 0b110010)el0_dbg {unsigned long far = read_sysreg(far_el1)enter_from_user_mode(regs)do_debug_exception(unsigned long addr_if_watchpoint = far,unsigned int  esr                = esr,struct pt_regs *regs             = regs) {const struct fault_info *inf = esr_to_debug_fault_info(esr)return debug_fault_info + DBG_ESR_EVT(esr)					// #define	DBG_ESR_EVT(x)		(((x) >> 27) & 0x7)inf->fn(addr_if_watchpoint, esr, regs)A.K.Asingle_step_handler {send_user_sigtrap(si_code = TRAP_TRACE)						/* 7) Send SIG_TRAP with siginfo to tracee itself */arm64_force_sig_fault(SIGTRAP, si_code, instruction_pointer(regs), "User debug trap") {force_sig_fault(signo = SIGTRAP, code = TRAP_TRACE, (void __user *)far = instruction_pointer(regs))force_sig_fault_to_task(sig, code, addr, current) {struct kernel_siginfo infoinfo.si_signo = sig				// SIGTRAPinfo.si_errno = 0info.si_code  = code			// TRAP_TRACEinfo.si_addr  = addr			// instruction_pointer(regs)force_sig_info_to_task(&info, t, HANDLER_CURRENT)}}if (!handler_found && user_mode(regs)) {user_rewind_single_step(current)						/* 8) Re-enable single step for syscall restarting. */if (test_tsk_thread_flag(task, TIF_SINGLESTEP))set_regs_spsr_ss(task_pt_regs(task))set_user_regs_spsr_ss(&(r)->user_regs)regs->pstate |= DBG_SPSR_SS				/* 9) Set DBG_SPSR_SS into pstate */}}}exit_to_user_mode(regs) {prepare_exit_to_user_modelocal_daif_maskdo_notify_resume {if (thread_flags & (_TIF_SIGPENDING | _TIF_NOTIFY_SIGNAL))do_signal {get_signalptrace_signalptrace_stop(exit_code = signo, why = CLD_TRAPPED, 0, info)	/* Stop tracee itself, and notify parent tracer */{current->last_siginfo = infocurrent->exit_code = exit_codedo_notify_parent_cldstop(current, true, why)info.si_signo  = SIGCHLDinfo.si_code   = why						// A.K.A: CLD_TRAPPEDinfo.si_status = tsk->exit_code & 0x7f__group_send_sig_info(SIGCHLD, &info, parent)}}}}}}
}

五、总结

gdb的单步调试，主要依赖硬件debug寄存器（MDSCR_EL1），ptrace(PTRACE_SINGLESTEP) 的作用主要是给task置上需要单步调试的标志，后续被调试任务被调度运行时，会根据是否置位“单步调试”的位，去设置MDSCR_EL1中的SS位，使能单步调试。当程序返回用户态执行完第一条指令后，硬件会主动触发一个单步异常陷入内核。