大家好，我是島主小風(fēng)哥。

內(nèi)存是C/C++程序員的好幫手，我們通常說C/C++程序性能更高其原因之一就在于可以自己來管理內(nèi)存，然而計(jì)算機(jī)科學(xué)中沒有任何一項(xiàng)技術(shù)可以包治百病，內(nèi)存問題也給C/C++程序員帶來無盡的煩惱。

野指針、數(shù)組越界、錯(cuò)誤的內(nèi)存分配或者釋放、多線程讀寫導(dǎo)致內(nèi)存被破壞等等，這些都會(huì)導(dǎo)致某段內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被”無意“的破壞掉，這類bug通常很難定位，因?yàn)楫?dāng)程序開始表現(xiàn)異常時(shí)通常已經(jīng)距離真正出問題的地方很遠(yuǎn)了，常用的程序調(diào)試方法往往很難排查此類問題。

既然這類問題通常是由于內(nèi)存的讀寫造成，那么如果要是某一段內(nèi)存被修改或者讀取時(shí)我們能觀察到此事件就好了，幸運(yùn)的是這類技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

圖片

一段示例

在GDB中你可以通過添加watchpoint來觀察一段內(nèi)存，這段內(nèi)存被修改時(shí)程序?qū)?huì)停止，此時(shí)我們就能知道到底是哪行代碼對該內(nèi)存進(jìn)行了修改，這功能是不是很強(qiáng)大。

接下來我們用示例來講解一下，有這樣一段代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

// 線程修改變量值
void memory_write(int* value) {
  *value = 1;
}

int main()
{
    int a = 10;
    // 獲取局部變量a的地址
    int* c = &a;

    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      a += i;
    }

    cout << a << endl;

    // 將變量a的地址傳遞到線程
    thread t(memory_write, c);
    t.join();

    return 0;
}

這段代碼非常簡單，創(chuàng)建局部變量a，然后獲取變量a的地址并賦值給指針c，此后對變量a進(jìn)行累加和，然后輸出a的值，此時(shí)a的值為4960。

假設(shè)此后你發(fā)現(xiàn)變量a的值竟然變?yōu)榱?，然而由于代碼非常復(fù)雜你并不知道到底是哪段代碼對變量a進(jìn)行修改，在上述代碼中我們利用線程a來模擬這個(gè)場景，線程獲取變量a的地址后對其進(jìn)行了修改，將其變?yōu)榱?，接下來我們利用調(diào)試工具gdb來定位到底是誰修改了變量a。

開始捕捉“肇事者”

對上述代碼進(jìn)行編譯，接下來利用gdb進(jìn)行調(diào)試，假設(shè)源文件的名稱是a.cc，編譯后的可執(zhí)行程序名字為a：

$ gdb a.out
(gdb) b a.cc:20
Breakpoint 1 at 0x400f23: file a.cc, line 20.
(gdb) r
Starting program: /bin/a
Breakpoint 1, main () at a.cc:20
20          cout << a << endl;

上述調(diào)試命令(b a.cc:20)表示我們在代碼的第20行加斷點(diǎn)，當(dāng)程序運(yùn)行到這里后暫停，調(diào)試命令r表示開始運(yùn)行程序，可以看到運(yùn)行到第20行后暫停，此時(shí)我們查看一下變量a的地址：

(gdb) p &a
$1 = (int *) 0x7fffffffe508

可以看到，變量a位于內(nèi)存地址0x7fffffffe508，接下來重點(diǎn)來了，我們該怎樣告訴gdb讓它幫我們時(shí)刻監(jiān)測0x7fffffffe508這個(gè)內(nèi)存地址中的值有沒有被修改呢？很簡單：

(gdb) watch *(int*)0x7fffffffe508
Hardware watchpoint 2: *(int*)0x7fffffffe508

我們利用watch命令，讓gdb幫我們時(shí)刻監(jiān)測一段從0x7fffffffe508開始大小為4字節(jié)的內(nèi)存區(qū)域(假設(shè)int占據(jù)4字節(jié))，這就是watch *(int*)0x7fffffffe508這行指令的含義：

圖片

除此之外上面gdb的輸出中還有一段值得注意：

Hardware watchpoint 2: *(int*)0x7fffffffe508

注意看，什么是Hardware watchpoint呢？先賣個(gè)關(guān)子，我們稍后聊，接下來我們運(yùn)行g(shù)db中的c命令，意思是continue，讓程序繼續(xù)運(yùn)行：

(gdb) c
Continuing.
4960

此時(shí)第20行執(zhí)行完畢并打印出了變量a的值4960，我們接著往下看：

[New Thread 0x7ffff6f5c700 (LWP 531823)]
[Switching to Thread 0x7ffff6f5c700 (LWP 531823)]
Hardware watchpoint 2: *(int*)0x7fffffffe508

Old value = 4960
New value = 1
memory_write (value=0x7fffffffe508) at a.cc:8
8       }
(gdb)

哈哈，gdb成功的捕捉到了是哪一行代碼修改了0x7fffffffe508這塊內(nèi)存，而且詳細(xì)的告訴我們所有信息，可以看到gdb打印出了這塊內(nèi)存之前保存的數(shù)據(jù)是數(shù)字4960，修改后的值為1，并且是在a.cc:8這里被修改的，而這里正是我們創(chuàng)建的線程對變量a進(jìn)行修改的地方，gdb成功的捕捉到了”肇事者“，原來是這個(gè)線程”無意“修改了變量a的值。

圖片

是不是很神奇，那么這一切都是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

watchpoint是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

原來這一切都是CPU的功勞。

現(xiàn)代處理器中具有特殊的debug寄存器，x86處理器中是DR0到DR7寄存器，利用這些寄存器硬件可以持續(xù)檢測處理器發(fā)出的用于讀寫內(nèi)存的地址，更強(qiáng)大的是，不但硬件watchpoint可以檢查內(nèi)存地址，而且還是可以監(jiān)測到底是在讀內(nèi)存還是在寫內(nèi)存。

利用gdb中的rwatch命令你可以來監(jiān)測是否有代碼讀取了某段內(nèi)存；利用gdb中的awatch命令你可以來檢查是否有代碼修改了某段內(nèi)存；利用gdb中的watch命令你可以檢查對某段內(nèi)存是否有讀或者寫這兩種情況。

一旦硬件監(jiān)測到相應(yīng)事件，就會(huì)暫停程序的運(yùn)行并把控制權(quán)交給debugger，也就是這里的gdb，此時(shí)我們就可以對程序的狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的查看了，這種硬件本身支持的調(diào)試能力就是剛才提到的Hardware watchpoint。

有hardware watchpoint就會(huì)有software watchpoint，當(dāng)硬件不支持hardware watchpoint時(shí)gdb會(huì)自動(dòng)切換到software watchpoint，此時(shí)你的程序每被執(zhí)行一條機(jī)器指令gdb就會(huì)查看相應(yīng)的事件是否發(fā)生，因此software watchpoint要遠(yuǎn)比hardware watchpoint慢，你可以利用gdb中的”set can-use-hw-watchpoints“命令來控制gdb該使用哪類watchpoint。

值得注意的是，在多線程程序中software watchpoint作用有限，因?yàn)槿绻粰z測的一段內(nèi)存被其它線程修改(就像本文中的示例)那么gdb可能捕捉不到該事件。