Отладочные действия

Существует набор базовых действий, позволяющих пользователю осуществлять контроль за выполнением отлаживаемой задачи. Эти действия можно классифицировать следующим образом:

предварительные действия отладчика;
прерывание выполнения задачи;
получение информации;
продолжение/изменение выполнения задачи.

1) Предварительные действия отладчика

загрузка модуля на целевой стороне;
запуск нужной задачи;
если задача была запущена средствами системы, то присоединение к ней (в этом случае выполнение задачи останавливается и становится возможным производить отладочные действия);
переключение между задачами.

Отладчик также выполняет и обратные действия, то есть отсоединение от задачи, прекращение ее выполнения и выгрузка соответствующего модуля.

2) Прерывание выполнения задачи

Как правило, выполнение задачи может быть прервано в результате того, что произошло одно из следующих событий:

Достигнута точка прерывания.
Точки прерывания бывают двух видов: программные и аппаратные. Установка программной точки прерывания состоит в том, что запоминается инструкция, расположенная по тому адресу, где будет находиться точка прерывания, затем по этому адресу прописывается так называемая "break"-инструкция, после обработки которой процессором генерируется некоторое исключение (trap exception). Обработчик этого исключения сохраняет регистры задачи, меняет инструкцию точки прерывания на настоящий код и передает управление менеджеру. Недостаток программных точек прерывания в том, что соответствующий адрес должен находиться в той области памяти, куда разрешена запись.
Аппаратная точка прерывания не требует модификации памяти, так как ее адрес хранится в специальном регистре (debug register, DR), который просматривается процессором при выполнении очередной инструкции. Если происходят действия, заложенные в контрольный регистр (например, выполнение по заданному адресу или чтение/запись в область, адресуемую значением DR), то процессор генерирует соответствующее прерывание, обработав которое, отладчик получает необходимую информацию.
Отладчик предоставляет пользователю возможность установки точки прерывания на начало некоторой строки исходного текста, на точку входа определенной функции или на конкретный адрес.
Помимо этого, отладчик отличает точки прерывания, поставленные им, а также (в многозадачных системах) имеет возможность устанавливать и обрабатывать точки прерывания, специфичные для данного множества задач. Это означает, что если задача не входит в такое отлаживаемое множество, то точка прерывания игнорируется. Помимо работы с точками прерывания, устанавливаемыми на конкретный адрес, отладчик работает с так называемыми прерываниями доступа (access breakpoints), используемыми для определения момента доступа к некоторой области памяти, и прерываниями наступления событий (event detection), которые срабатывают, когда происходит соответствующее событие.
Используется режим пошаговой отладки. Существует много вариантов степени детализации выполнения. В частности, остановка после выполнения строки исходного текста или остановка после выполнения каждой ассемблерной инструкции (с заходом в вызываемые функции или с их пропуском). Отладчик может использовать этот режим в служебных целях, например, при установленном прерывании выполнения при изменении данных (watchpoint). В этом случае после исполнения очередной инструкции надо проверять значение того выражения, на котором стоит точка прерывания.
Перехвачена исключительная ситуация. Если в процессе выполнения отлаживаемой задачи возникла исключительная ситуация (например, деление на 0), то отладчик должен корректно ее обработать и сообщить пользователю.
Получен сигнал прерывания от пользователя. Отладчик предоставляет пользователю возможность в любой момент остановить выполнение программы (например, введя соответствующий символ). При получении сигнала останова отладчик может остановить текущую отлаживаемую задачу, остановить выполнение некоторой группы задач и остановить всю систему. Такой механизм дает возможность применять средства активной отладки без опасения вызвать новые ошибки, связанные со спецификой СРВ, поскольку система или набор задач, которые могут повлиять на отлаживаемую, будут остановлены, и временные соотношения их выполнения нарушены не будут.

Подобный подход реализован в отладчике X-ray (Microtec Division, целевая система VRTX).

3) Получение информации Когда задача остановилась, становится возможным осуществлять сбор различных данных, которые могут помочь при локализации логических ошибок в программе.

Просмотр содержимого стека. Эта команда дает возможность увидеть, как задача попала в текущее положение. Каждый кадр стека содержит данные, связанные с вызовом некоторой функции, включая ее аргументы, локальные переменные и адрес точки вызова.
Просмотр таблицы символов. Используя отладчик, можно получать доступ к информации о символах (имена переменных, функций и типов), определенных в задаче. Эта информация состоит из имени, типа и адреса соответствующей переменной или функции.
Просмотр исходных файлов. Пользователь может выборочно смотреть исходный текст программы, задавая номера строк, имена функций или некоторый адрес.
Просмотр данных. Отладчик способен получать и пересылать пользователю значение любой переменной или функции, доступной отлаживаемой задаче, а также содержимое регистров, памяти и дизассемблированный код. Кроме того, у пользователя может возникнуть необходимость осуществить в процессе сеанса отладки вызов некоторой функции. Для поддержки этого существуют различные способы, например, можно передать соответствующий запрос агенту отладки, и тот запустит требуемую функцию либо в контексте отлаживаемой в данный момент задачи, либо в некотором специальном контексте. В GDB (GNU debugger, Free Software Foundation) реализован другой механизм, суть которого заключается в том, что все предварительные действия (установка точки выполнения, и.т.д.) производятся на инструментальной стороне, а агенту передается запрос на выполнение с текущего адреса.

4) Продолжение/изменение выполнения Особенностью активной отладки является возможность изменения выполнения задачи.

Изменение данных. Отладчик имеет возможность изменять значения переменных, содержимое регистров и памяти. Это позволяет корректировать выполнение задачи, проверяя предположения об ошибках в ее коде.
Продолжение выполнения задачи с любого адреса. Пользователь может потребовать продолжить выполнение задачи с другого адреса (например, обходя критический участок кода).
Продолжение выполнения задачи до некоторого адреса. В этом случае ставится временная точка прерывания на нужный адрес, и задача выполняется, пока этот адрес не будет достигнут.

Как и в случае с обычной точкой прерывания, отладчик обеспечивает установку временной точки прерывания на начало строки исходного текста, на конкретный адрес или на точку входа некоторой функции. Однако, помимо этого отладчик может ставить временную точку прерывания на адрес возврата текущей функции, реализуя выполнение задачи вплоть до завершения этой функции. Механизм установки временной точки прерывания используется и в режиме пошаговой отладки. Тогда точка прерывания ставится на следующую исполняемую инструкцию или (в случае отладки без захода в вызываемые функции) на инструкцию, следующую за вызовом функции.
Возврат из функции. Может возникнуть ситуация, когда пользователю понадобится завершить выполнение функции с определенным возвращаемым значением. В этом случае отладчик выполняет следующие действия:
1. Приведение заданного пользователем значения к типу возвращаемого значения этой функции.
2. Восстановление сохраненных регистров.
3. Установка возвращаемого значения в требуемую область памяти/регистр.
4. Установка указателя стека на предыдущий кадр.
5. Установка точки выполнения программы на адрес возврата заданной функции.
6. Уничтожение текущего кадра стека.
Описывая отладочные действия, стоит упомянуть об инструментальной системе ЭСКОРТ ([27]), созданной в Научно-исследовательском институте системных исследований РАН как средство повышения производительности труда профессиональных программистов. Основу ЭСКОРТа составляет интегрированная система редактирования - компиляции - выполнения. Программы в ЭСКОРТе имеют нетекстовое представление. Более точно, все программные объекты представлены как объекты базы данных. Средствами БД ЭСКОРТа реализовано хранение предыдущих состояний объектов (и, в частности, значений переменных), откатка, "откатка откатки" и т.п., что позволяет дать в руки программисту мощные средства контролируемого выполнения (пошаговое, с контролем значений переменных, обратное и т.д.). Правда, на сегодняшний день, для современных систем реального времени, средства, предлагаемые в рамках ЭСКОРТа, представляются слишком тяжеловесными (хотя и весьма перспективными).