详解Linux平台的调试信息文件

gdb允许你可以将一个程序的调试信息存放在独立于可执行文件自身的另一个文件之中,gdb可以通过某种方法自动地找到和加载这些调试信息。因为调试信息可能会非常庞大——有时候甚至会比可执行代码自身还要庞大——所以,某些系统会将它们的可执行文件的调试信息存放在独立的文件之中,只有当用户需要调试某个难题的时候,才需要安装这些存放调试信息的文件。

gdb可以通过两种方法来指定独立调试信息文件:

  • 可执行文件包含一个调试链接(Debug Link),它会指定独立调试信息文件的名称。独立调试信息文件的名称通常为executable.debug,其中,executable是相应的可执行文件的名称,不带有前导的目录名(例如,对于/usr/bin/ls来说,这个文件的名称就是ls.debug)。另外,调试链接会为调试信息文件指定一个32位的循环冗余校验(CRC)的校验和,gdb会通过这个校验和来验证可执行文件和调试信息文件是否来自于相同的构建过程。

  • 可执行文件包含一个构建标识符(Build ID),它是一个唯一的位串,在相应的调试信息文件中也包含这个位串。(在某些操作系统上,只有当二进制文件和GNU Binutils工具集使用ELF(Executable Linkable Format)或PE(Portable Executable)文件格式时,才支持这种特性。)若要了解更多关于这个特性的详细信息,请参考命令行选项中的关于–build-id命令行选项的相关描述。构建标识符并不会显式地指定调试信息文件的名称,但是可以根据构建标识符计算得出,请参照下文。

根据指定调试信息文件的方法,gdb会使用两种不同的方法来查找调试信息文件:

  • 对于“调试链接”的方法来说:首先,gdb会在可执行文件目录中,通过名称来查找调试信息文件;然后,gdb会在可执行文件目录的一个名为.debug的子目录中查找调试信息文件;最后,gdb会在每一个全局调试目录下的子目录中查找信息文件,这个子目录的名称和可执行文件的绝对路径文件名的前导目录路径完全相同。

  • 对于“构建标识符”的方法来说:gdb会在每一个全局调试目录的.build-id子目录中查找名为nn/nnnnnnnn.debug的调试信息文件,其中,nn是构建标识符位串的前两个十六进制字符,而nnnnnnnn则是位串的其余字符。(真实的构建标识符具有32个或更多个十六进制字符,而不仅仅只有10个。)

举个例子,假设你使用gdb来调试/usr/bin/ls,这个程序包含一个指定调试信息文件ls.debug的调试链接,以及一个十六进制值为abcdef1234的构建标识符。如果全局调试目录列表包含/usr/lib/debug目录,那么gdb将会通过下面显示的顺序查找以下调试信息文件:

  • /usr/lib/debug/.build-id/ab/cdef1234.debug
  • /usr/bin/ls.debug
  • /usr/bin/.debug/ls.debug
  • /usr/lib/debug/usr/bin/ls.debug

你可以通过gdb的编译配置选项–with-separate-debug-dir来设置默认的全局调试信息目录。在gdb的运行期间,你也可以设置全局调试信息目录,还可以查看gdb正在使用的全局调试信息目录:

  • set debug-file-directory directories
    设置可能包含独立调试信息文件的目录,gdb将会在directories<指定的目录中展开搜索。可以设置多个路径组成部分,使用路径分隔符来连接它们。

  • show debug-file-directory
    显示gdb搜索独立调试信息文件的目录列表。

调试链接是可执行文件中的一个名为.gnu_debuglink的特殊段。这个特殊段必须包含:

  • 一个文件名,这个文件名没有任何的前导目录组成部分,其后紧跟一个0字节,
  • 0至3个字节的填充字符,用于满足这个段内的下一个4字节边界的需要,以及
  • 一个4字节的CRC校验和,存储校验和的字节序(大端或小端)和可执行文件自身的字节序相同。这个校验和是通过对调试信息文件的完整内容进行计算得到的,用来计算的函数会在下文给出,我们会传入0作为crc参数。

任何可执行文件的格式都可以携带一个调试链接,只要它能够包含一个名为.gnu_debuglink的特殊段即可,该段的内容如上文所述。

构建标识符也是可执行文件之中(以及gdb能够识别的其他ELF二进制文件之中)的一个特殊段。这个特殊段通常名为.note.gnu.build-id,但是这个名称并不是强制规定的。它包含已构建文件的唯一标识——也就是说,这个标识符在相同构建树的多次构建过程中会保持不变。默认的SHA1算法会产生160位的内容(40个十六进制字符),用于组成构建标识符位串。最初构建的二进制文件(含有调试符号)、经过精简的二进制文件和独立调试信息文件都包含这个特殊段,并且具有完全相同的值。

调试信息文件本身应当是一个普通的可执行文件,它包含一套完整的链接器符号、分段和调试信息。调试信息文件的分段应当具有和原始文件的分段相同的名称、地址和尺寸,但是它们不必包含任何数据——就像普通可执行文件中的.bss段。

GNU二进制工具集(Binutils)包含一个名为“objcopy”的实用工具,它可以产生独立成对的可执行文件和调试信息文件,使用以下命令:

  1. objcopy --only-keep-debug foo foo.debug
  2. strip -g foo

这些命令会移除可执行文件foo之中的调试信息,并且会将这些调试信息存放在文件foo.debug之中。第一种、第二种或两种方法兼而有之,都可以用来链接这两个文件:

  • 调试链接的方法需要额外运行以下命令,这个命令会在foo文件中留下一个调试链接:
  1. objcopy --add-gnu-debuglink=foo.debug foo

从0.53版本开始,Ulrich Drepper的elfutils软件包就支持strip命令的一种用法,通过strip foo -f foo.debug命令就可以实现同时使用上述两个objcopy命令和ln -s命令的功能。

  • 使用ld --build-id命令或gcc对应的gcc -Wl,--build-id命令,便可以将构建标识符嵌入至主要的可执行文件之中。构建标识符支持用于分离调试信息文件的外加兼容性修正,从2.18版本开始,GNU二进制工具集便已经包含这些兼容性修正了。

.gnu_debuglink段中使用的CRC是CRC-32,它是在IEEE 802.3标准中定义的,使用下面的多项式:

x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1

这个函数一次会计算一个字节,首先会获取每个字节的最低有效位。最初,这个函数会使用0xffffffff进行计算,这样便能确保前导零对CRC产生的影响;除此之外,还会对最终结果进行取反,这样便能确保尾随零对CRS产生的影响。

注意:此处使用的CRC多项式和处理远程串行协议(Remote Serial Protocol)qCRC数据包时使用的多项式相同(请参考qCRC数据包)。然而,就远程串行协议而论,CRC首先会从最高有效位进行计算,并且也不会对计算结果取反,所以尾随零不会影响CRC的结果值。

本文最后会展示一个CRC生成函数,这个函数会生成在.gnu_debuglink段中使用的CRC结果值。将首次提供的crc参数值取反,意味着首次调用这个函数时,会传入0作为参数值,然后将会使用0xffffffff计算CRC结果值。

  1. unsigned long
  2. gnu_debuglink_crc32 (unsigned long crc,
  3. unsigned char *buf, size_t len)
  4. {
  5. static const unsigned long crc32_table[256] =
  6. {
  7. 0x00000000, 0x77073096, 0xee0e612c, 0x990951ba, 0x076dc419,
  8. 0x706af48f, 0xe963a535, 0x9e6495a3, 0x0edb8832, 0x79dcb8a4,
  9. 0xe0d5e91e, 0x97d2d988, 0x09b64c2b, 0x7eb17cbd, 0xe7b82d07,
  10. 0x90bf1d91, 0x1db71064, 0x6ab020f2, 0xf3b97148, 0x84be41de,
  11. 0x1adad47d, 0x6ddde4eb, 0xf4d4b551, 0x83d385c7, 0x136c9856,
  12. 0x646ba8c0, 0xfd62f97a, 0x8a65c9ec, 0x14015c4f, 0x63066cd9,
  13. 0xfa0f3d63, 0x8d080df5, 0x3b6e20c8, 0x4c69105e, 0xd56041e4,
  14. 0xa2677172, 0x3c03e4d1, 0x4b04d447, 0xd20d85fd, 0xa50ab56b,
  15. 0x35b5a8fa, 0x42b2986c, 0xdbbbc9d6, 0xacbcf940, 0x32d86ce3,
  16. 0x45df5c75, 0xdcd60dcf, 0xabd13d59, 0x26d930ac, 0x51de003a,
  17. 0xc8d75180, 0xbfd06116, 0x21b4f4b5, 0x56b3c423, 0xcfba9599,
  18. 0xb8bda50f, 0x2802b89e, 0x5f058808, 0xc60cd9b2, 0xb10be924,
  19. 0x2f6f7c87, 0x58684c11, 0xc1611dab, 0xb6662d3d, 0x76dc4190,
  20. 0x01db7106, 0x98d220bc, 0xefd5102a, 0x71b18589, 0x06b6b51f,
  21. 0x9fbfe4a5, 0xe8b8d433, 0x7807c9a2, 0x0f00f934, 0x9609a88e,
  22. 0xe10e9818, 0x7f6a0dbb, 0x086d3d2d, 0x91646c97, 0xe6635c01,
  23. 0x6b6b51f4, 0x1c6c6162, 0x856530d8, 0xf262004e, 0x6c0695ed,
  24. 0x1b01a57b, 0x8208f4c1, 0xf50fc457, 0x65b0d9c6, 0x12b7e950,
  25. 0x8bbeb8ea, 0xfcb9887c, 0x62dd1ddf, 0x15da2d49, 0x8cd37cf3,
  26. 0xfbd44c65, 0x4db26158, 0x3ab551ce, 0xa3bc0074, 0xd4bb30e2,
  27. 0x4adfa541, 0x3dd895d7, 0xa4d1c46d, 0xd3d6f4fb, 0x4369e96a,
  28. 0x346ed9fc, 0xad678846, 0xda60b8d0, 0x44042d73, 0x33031de5,
  29. 0xaa0a4c5f, 0xdd0d7cc9, 0x5005713c, 0x270241aa, 0xbe0b1010,
  30. 0xc90c2086, 0x5768b525, 0x206f85b3, 0xb966d409, 0xce61e49f,
  31. 0x5edef90e, 0x29d9c998, 0xb0d09822, 0xc7d7a8b4, 0x59b33d17,
  32. 0x2eb40d81, 0xb7bd5c3b, 0xc0ba6cad, 0xedb88320, 0x9abfb3b6,
  33. 0x03b6e20c, 0x74b1d29a, 0xead54739, 0x9dd277af, 0x04db2615,
  34. 0x73dc1683, 0xe3630b12, 0x94643b84, 0x0d6d6a3e, 0x7a6a5aa8,
  35. 0xe40ecf0b, 0x9309ff9d, 0x0a00ae27, 0x7d079eb1, 0xf00f9344,
  36. 0x8708a3d2, 0x1e01f268, 0x6906c2fe, 0xf762575d, 0x806567cb,
  37. 0x196c3671, 0x6e6b06e7, 0xfed41b76, 0x89d32be0, 0x10da7a5a,
  38. 0x67dd4acc, 0xf9b9df6f, 0x8ebeeff9, 0x17b7be43, 0x60b08ed5,
  39. 0xd6d6a3e8, 0xa1d1937e, 0x38d8c2c4, 0x4fdff252, 0xd1bb67f1,
  40. 0xa6bc5767, 0x3fb506dd, 0x48b2364b, 0xd80d2bda, 0xaf0a1b4c,
  41. 0x36034af6, 0x41047a60, 0xdf60efc3, 0xa867df55, 0x316e8eef,
  42. 0x4669be79, 0xcb61b38c, 0xbc66831a, 0x256fd2a0, 0x5268e236,
  43. 0xcc0c7795, 0xbb0b4703, 0x220216b9, 0x5505262f, 0xc5ba3bbe,
  44. 0xb2bd0b28, 0x2bb45a92, 0x5cb36a04, 0xc2d7ffa7, 0xb5d0cf31,
  45. 0x2cd99e8b, 0x5bdeae1d, 0x9b64c2b0, 0xec63f226, 0x756aa39c,
  46. 0x026d930a, 0x9c0906a9, 0xeb0e363f, 0x72076785, 0x05005713,
  47. 0x95bf4a82, 0xe2b87a14, 0x7bb12bae, 0x0cb61b38, 0x92d28e9b,
  48. 0xe5d5be0d, 0x7cdcefb7, 0x0bdbdf21, 0x86d3d2d4, 0xf1d4e242,
  49. 0x68ddb3f8, 0x1fda836e, 0x81be16cd, 0xf6b9265b, 0x6fb077e1,
  50. 0x18b74777, 0x88085ae6, 0xff0f6a70, 0x66063bca, 0x11010b5c,
  51. 0x8f659eff, 0xf862ae69, 0x616bffd3, 0x166ccf45, 0xa00ae278,
  52. 0xd70dd2ee, 0x4e048354, 0x3903b3c2, 0xa7672661, 0xd06016f7,
  53. 0x4969474d, 0x3e6e77db, 0xaed16a4a, 0xd9d65adc, 0x40df0b66,
  54. 0x37d83bf0, 0xa9bcae53, 0xdebb9ec5, 0x47b2cf7f, 0x30b5ffe9,
  55. 0xbdbdf21c, 0xcabac28a, 0x53b39330, 0x24b4a3a6, 0xbad03605,
  56. 0xcdd70693, 0x54de5729, 0x23d967bf, 0xb3667a2e, 0xc4614ab8,
  57. 0x5d681b02, 0x2a6f2b94, 0xb40bbe37, 0xc30c8ea1, 0x5a05df1b,
  58. 0x2d02ef8d
  59. };
  60. unsigned char *end;
  61. crc = ~crc & 0xffffffff;
  62. for (end = buf + len; buf < end; ++buf)
  63. crc = crc32_table[(crc ^ *buf) & 0xff] ^ (crc >> 8);
  64. return ~crc & 0xffffffff;
  65. }

“构建标识符”方法不会使用上述的计算过程。