Отладчик - вторая после компилятора вещь, необходимая для создания программ. Однако многие из тех, кто пишет компьютерные программы и пользуется отладчиком, не в курсе того, каковы принципы и механизмы его работы.

Тяжело быть отладчиком...

В свете того, что программисты используют отладчик денно и нощно, особенно когда войдут в режим глубокой отладки, стоит сказать, что, будь отладчик не программой, а железякой, он бы наверняка перегрелся и сломался. Потому что столько работы, сколько её достаётся отладчику, не имеет даже компилятор.

Конечно, поскольку сейчас множество всяких различных языков программирования, то и отладчики для каждого из них свои. И, естественно, для разных категорий этих языков имеются различия в работе отладчиков: например, отладчик программ на интерпретируемом Ruby будет работать иначе, чем для компилируемого в байт-код языка Java, а отладчик для Java, в свою очередь, будет иметь отличия от отладчика Visual C++.

Я расскажу об отладке для платформы Windows. Поняв принципы работы отладчиков для неё, можно будет разобраться и с отладчиками под POSIX-системы, и с отладчиками, которые работают не на уровне операционной системы, а на уровне виртуальной машины или какого-либо интерпретатора.

Отладчики для Windows: два вида

Существуют два принципиально разных вида отладчиков под Windows. Думаю, с первыми сталкивались все, когда программировали на Delphi (не программировали на нём? С трудом верится. На чём же вы программировали в школе и на младших курсах?). Это отладчики пользовательских приложений. Их немало, и они существуют как по отдельности, так и (особенно, кстати, часто) в составе интегрированных сред разработки приложений. Среди отладчиков, распространяемых как отдельные программные продукты, традиционно выделяют OllyDbg, и о нём я когда-то писал в "Компьютерных вестях".

Второй вид отладчиков - это отладчики ядра операционной системы. Они встречаются и используются реже и по своему устройству значительно отличаются от отладчиков пользовательских приложений. Самый известный, и, одновременно, самый лучший из отладчиков ядра - это SoftIce. Возможно, вы о нём не только слышали, но даже пользовались.

Поскольку работа каждого из двух видов отладчиков имеет свою специфику, то я расскажу о каждом из них подробнее.

Отладчик пользовательских приложений

Отладчик пользовательских приложений устроен проще, поскольку самую чёрную и грязную работу берёт на себя операционная система. В Windows есть специальные программные интерфейсы, которые предназначены для отладки приложений пользовательского уровня - называются они Windows Debugging API. Именно отладочными API пользуются все отладчики, которые встроены в популярные интегрированные среды разработки для Windows.

Для того чтобы отладка началась, отладчик должен запустить отлаживаемый процесс специальным образом - таким, чтобы система знала, что этот процесс будет находиться под отладкой. После этого начинается цикл отладки: программа выполняется до наступления определённого события, которое так и называется - отладочное событие, или debug event. При этом цикл отладки запускается в отдельном потоке, чтобы предотвратить зависание отладчика.

Но это только начало. Потому что самое интересное в работе отладчика начинается уже тогда, когда отладочное событие произошло. Ведь, по сути, в чём заключается работа отладчика? Чтобы помочь программисту локализовать ошибку с точностью до конкретной функции, конкретной операции, конкретной переменной. В этом нелёгком деле отладчику также может помочь операционная система.

Итак, отладочное событие произошло, и дальше надо каким-то образом узнать, как это связано с текстом программы. Это возможно только если в саму программу включена специальная отладочная информация - таблица отладочных символов. Она содержит в себе информацию о соответствии между адресами и именами функций, типов данных, номерами строк кода. Именно благодаря им возможна та отладка, с которой знаком каждый Windows-программист. Таблицы символов имеют разные форматы, а потому не всегда возможно отладить программу, скомпилированную компилятором одного разработчика, с помощью отладчика от другого производителя. Но, правда, самый распространённый формат всё же можно указать - это PDB (Program Database), и разработан он, естественно, корпорацией Microsoft.

Итак, если отладочная таблица символов имеет формат PDB, то можно воспользоваться специальным инструментом от корпорации Microsoft - символьным отладочным процессором. Когда-то он входил в ядро системы и назывался Imagehlp.dll, но уже давным-давно был выделен в отдельную библиотеку. Символьный процессор позволяет находить по заданному адресу ближайшую открытую функцию или глобальную переменную, а также номер строки и название файла с исходным текстом, в котором эта строка находится. Поддерживаются и обратные операции, например, поиск адреса функции по её имени.

Это, конечно, далеко не вся работа, которой занимается отладчик пользовательских приложений. Например, при отладке многопоточных приложений появляются многие очень тонкие моменты, связанные со взаимодействием потоков. Даже при отладке таких сравнительно простых вещей, как сервисы, есть свои нюансы.

Но на нюансах мы сейчас останавливаться не будем - в конце статьи я скажу вам, где о них почитать. Сейчас же давайте посмотрим на отладчики ядра.

Отладчик ядра

Отладчики ядра - программы намного более сложные, чем отладчики пользовательских приложений, и, полагаю, вполне понятно, почему: у них отсутствует помощник в виде операционной системы. Она в данном случае является их клиентом, ведь именно её они, в конечном счёте, должны отлаживать.

Большинство отладчиков ядра требует для своей работы два компьютера, соединённых нуль-модемным кабелем. Нуль-модем - это способ соединения двух компьютеров напрямую кабелем через их COM или LTP-порты. Второй компьютер нужен, потому что часть отладчика, сидящая на первом (на том, где установлена отлаживаемая система), имеет ограниченный доступ к аппаратному обеспечению, и поэтому весь вывод данных идёт по нуль-модему на второй компьютер.

В современных процессорах архитектуры Intel x86 имеются специальные отладочные регистры (и в стареньком 368-м, и в более новых моделях процессоров их всего восемь, они именуются как DR0-DR7). Эти регистры позволяют отладчику ставить контрольные точки на чтение и запись памяти, а также на порты ввода-вывода. В общем виде всё выглядит именно так, и я не думаю, что стоит сейчас расписывать подробно, за что отвечает каждый из отладочных регистров, какими прерываниями реализуются точки останова и давать прочую подобную информацию. Лучше расскажу о конкретных существующих отладчиках ядра для Windows.

Ну, во-первых, это отладчик, встроенный в само ядро операционной системы. Он есть во всех ОС линейки NT, начиная с Windows 2000. Это часть файла NTOSKRNL.EXE, и включить его можно, задав опцию "/Debug" для операционной системы в BOOT.INI. Этот отладчик нуждается в нуль-модемном соединении и втором компьютере с такой же ОС.

Есть ещё один отладчик ядра от Microsoft - WinDBG. Строго говоря, это не отладчик ядра, а гибридный отладчик, который можно использовать и для отладки приложений уровня пользователя. Он, в отличие от отладчика, встроенного в ядро, имеет графическую оболочку, а потому пользоваться им проще. Этот отладчик также поддерживает специальные расширения, которые могут пригодиться при решении некоторых задач отладки. Но и он для отладки ядра требует два компьютера.

Однако существует отладчик ядра, который может осуществлять отладку на одном-единственном компьютере. Это SoftIce. При этом SoftIce умеет отлаживать и прикладные программы. Использование этого отладчика для пользовательских программ оправдано, например, в случае отладки систем реального времени, привязываемых к системному таймеру. Если выполнять отладку с помощью обыкновенного отладчика, то результат может оказаться неправильным даже при правильной работе программы, а SoftIce остановит и программу, и таймер. Это полезно при отладке многопоточных приложений. Ко всему прочему, SoftIce имеет очень, очень хорошо развитые средства вывода информации обо всех потоках в системе, о синхронизации потоков для многопоточных приложений, информации о handle'ах... Единственный минус этого отладчика - его сложность для прикладного программиста. Но из отладчиков ядра это самый простой и эффективный.

Для самых любознательных

Сейчас, конечно, разговор об отладчиках для Windows-приложений не так актуален, как ещё лет десять назад. Весь мир заинтересовался Интернетом, и основными пользователями SoftIce стали крякеры, неутомимые труженики на ниве пиратства. Тем не менее, это не так уж плохо. Общение с SoftIce'ом, несомненно, развивает человека в плане знаний о компьютере, хотя, конечно, если общаться только с отладчиками и не общаться с живыми людьми, возможны некоторые побочные эффекты. Ну, об этом, я думаю, все и так догадываются.

Отладчики - одни из самых своеобразных видов программного обеспечения, но в плане разработки даже отладчики программ уровня пользователя довольно сложны. Но, тем не менее, если у вас есть желание и время для того, чтобы разработать собственный отладчик, ваши знания в области операционных систем и программирования существенно возрастут, а значит, возрастут и шансы на высокооплачиваемую работу.

Итак, если вам хочется создать собственный отладчик, то сначала стоит ознакомиться с материалами на эту тему. На мой взгляд, самым лучшим пособием для начала будет книга Джона Роббинса "Отладка Windows-приложений". Она уже старая, 2001-го года издания, но информация, изложенная в ней, актуальна и сейчас, поскольку имеет общий, даже в некотором роде фундаментальный характер. В этой книге есть примеры написания отладчиков для Windows, кроме того, она пригодится вам, если вы программируете на C++ и хотите лучше разобраться в обработке исключений. Собственно, именно из этой книги я и почерпнул сведения об отладчиках, изложенные в статье. Если же найти эту книгу не получится (всё-таки, она уже довольно старая), есть несколько адресов, которые могут вам пригодиться. Первый - вот такой: www.xakep.ru/post/19158/default.asp. Эта статья из журнала "Хакер" несколько подробнее рассказывает об отладчиках ядра, чем это сделал я, а кроме того, в ней приведён код простейшего отладчика. А по адресу kalashnikoff.ru/Assembler/issues/016.htm можно узнать о том, как написать DOS-отладчик. Но, конечно, лучше всего читать MSDN и попутно найти какой-нибудь отладчик с открытыми исходными текстами, чтобы в нём разобраться. Ну и, конечно, если вы взялись за написание отладчика, то успехов вам в этом нелёгком деле!

Вадим СТАНКЕВИЧ,
dreamdrusch@tut.by