当你用 GDB 的时候，可以看到它完全控制了应用程序进程。当你在程序运行的时候用 Ctrl + C，程序的运行就能够终止，而GDB能展示它的当前地址、堆栈跟踪信息之类的内容。
但是它是怎么办到的呢？
但是它们怎么不工作呢？
开始，让我们先研究它怎样才会不工作。它不能通过阅读和分析程序的二进制信息来模拟程序的运行。它其实能做，而那应该能起作用（Valgrind 内存调试器就是这样工作的），但是这样的话会很慢。Valgrind会让程序慢1000倍，但是GDB不会。它的工作机制与Qemu虚拟机一样。
所以到底是怎么回事？黑魔法？……不，如果那样的话就太简单了。
另一种猜想？……？破解！是的，这里正是这样的。操作系统内核也提供了一些帮助。
首先，关于Linux的进程机制需要了解一件事：父进程可以获得子进程的附加信息，也能够ptrace它们。并且你可以猜到的是，调试器是被调试的进程的父进程（或者它会变成父进程，在Linux中进程可以将一个进程变为自己子进程:-)）
Linux Ptrace API
Linux Ptrace API 允许一个（调试器）进程来获取低等级的其他（被调试的）进程的信息。特别的，这个调试器可以：
读写被调试进程的内存 ：PTRACE_PEEKTEXT、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_POKE……
读写被调试进程的CPU寄存器 PTRACE_GETREGSET、PTRACE_SETREGS
因系统活动而被提醒：PTRACE_O_TRACEEXEC, PTRACE_O_TRACECLONE, PTRACE_O_EXITKILL, PTRACE_SYSCALL（你可以通过这些标识区分exec syscall、clone、exit以及其他系统调用）
控制它的执行：PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_KILL、PTRACE_INTERRUPT、PTRACE_CONT （注意，CPU在这里是单步执行）
修改它的信号处理：PTRACE_GETSIGINFO、PTRACE_SETSIGINFO
Ptrace是如何实现的？
Ptrace的实现不在本文讨论的范围内，所以我不想进一步讨论，只是简单地解释它是如何工作的（我不是内核专家，如果我说错了请一定指出来，并原谅我过分简化:-)）
Ptrace 是Linux内核的一部分，所以它能够获取进程所有内核级信息：
读写数据？Linux有copy_to/from_user。
获取CPU寄存器？用copy_regset_to/from_user很轻松（这里没有什么复杂的，因为CPU寄存器在进程未被调度时保存在Linux的struct task_struct *调度结构中）。
修改信号处理？更新域last_siginfo
单步执行？在处理器出发执行前，设置进程task结构的right flag（ARM、x86）
Ptrace是在很多计划的操作中被Hooked（搜索 ptrace_event函数），所以它可以在被询问时（PTRACE_O_TRACEEXEC选项和与它相关的），向调试器发出一个SIGTRAP信号。
没有Ptrace的系统会怎么样呢？
这个解释超出了特定的Linux本地调试，但是对于大部分其他环境是合理的。要了解GDB在不同目标平台请求的内容，你可以看一下它在目标栈里面的操作。
在这个目标接口里，你可以看到所有C调试需要的高级操作：
struct target_ops { struct target_ops *beneath; /* To the target under this one. */ const char *to_shortname; /* Name this target type */ const char *to_longname; /* Name for printing */ const char *to_doc; /* Documentation. Does not include trailing newline, and starts with a one-line descrip- tion (probably similar to to_longname). */ void (*to_attach) (struct target_ops *ops, const char *, int); void (*to_fetch_registers) (struct target_ops *, struct regcache *, int); void (*to_store_registers) (struct target_ops *, struct regcache *, int); int (*to_insert_breakpoint) (struct target_ops *, struct gdbarch *, struct bp_target_info *); int (*to_insert_watchpoint) (struct target_ops *, CORE_ADDR, int, int, struct expression *); ... } |
普通的GDB调用这些函数，然后目标相关的组件再实现它们。（概念上）这是一个栈，或者一个金字塔：栈顶的是非常通用的，比如：
系统特定的Linux
本地或远程调试
调试方式特定的（ptrace、ttrace）
指令集特定的（Linux ARM、Linux x86）
那个远程目标很有趣，因为它通过一个连接协议（TCP/IP、串行端口）把两台“电脑”间的执行栈分离开来。
那个远程的部分可以是运行在另一台Linux机器上的gdbserver。但是它也可以是一个硬件调试端口的界面（JTAG） 或者一个虚拟的机器管理程序（比如 Qemu），并能够代替内核和ptrace的功能。那个远程根调试器会查询管理程序的结构，或者直接地查询处理器硬件寄存器来代替对OS内核结构的查询。
想要深层次学习这个远程协议，Embecosm 写了一篇一个关于不同信息的详细指南。Gdbserver的事件处理循环在这，而也可以在这里找到Qemu gdb-server stub 。
总结一下
我们能看到ptrace的API提供了这里所有底层机制被要求实现的调试器：
获取exec系统调用并从调用的地方阻止它执行
查询CPU的寄存器来获得处理器当前指令以及栈的地址
获取clone或fork事件来检测新线程
查看并改变数据地址读取并改变内存的变量
但是这就是一个调试器的全部工作吗？不，这只是那些非常低级的部分……它还会处理符号。这是，链接源程序和二进制文件。被忽视可能也是最重要的的一件事：断点！我会首先解释一下断点是如何工作的，因为这部分内容非常有趣且需要技巧，然后回到符号处理。
断点不是Ptrace API的一部分
就像我们之前看到的那样，断点不是ptrace API的一部分。但是我们可以改动内存并获取被调试的程序信号。你看不到其中的相关之处？这是因为断点的实现比较需要技巧并且还要一点hack！让我们来检验一下如何在一个指定的地址设置一个断点。
1、这个调试器读取（ptrace追踪）存在地址里的二进制指令，并保存在它自己的数据结构中。
2、它在这个位置写入一个不合法的指令。不管这个指令是啥，只要它是不合法的。
3、当被调试的程序运行到这个不合法的指令时（或者更准确地说，处理器将内存中的内容设置好时）它不会继续运行（因为它是不合法的）。
4、在现代多任务系统中，一个不合法的指令不会使整个系统崩溃掉，但是会通过引发一个中断（或错误）把控制权交回给系统内核。
5、这个中断被Linux翻译成一个SIGTRAP信号，然后被发送到处理器……或者发给它的父进程，就像调试器希望的那样。
6、调试器获得信号并查看被调试的程序指令指针的值（换言之，是陷入 trap发生的地方）。如果这个IP地址是在断点列表中，那么就是一个调试器的断点（否则就是一个进程中的错误，只需要传过信号并让它崩溃）。
7、现在，那个被调试的程序已经停在了断点，调试器可以让用户来做任何他/她想要做的事，等待时机合适继续执行。
8、为了要继续执行，这个调试器需要 1、写入正确的指令来回到被调试的程序的内存； 2、单步执行（继续执行单个CPU指令，伴随着ptrace 单步执行）； 3、把非法指令写回去（使得这个执行过程下一次可以再次停止） ；4、让这个执行正常运行
很整洁，是不是？作为一个旁观的评论，你可以注意到，如果不是所有线程同时停止的话这个算法是不会工作的（因为运行的线程可能会在合法的指令出现时传出断点）。我不会详细讨论GDB是如何解决这个问题的，但在这篇论文里已经说得很详细了：使用GDB不间断调试多线程程序。简要地说，他们把指令写到内存中的其他地方，然后把那个指令的指针指向那个地址并单步执行处理器。但是问题在于一些指令是和地址相关的，比如跳转和条件跳转……
