gdb 和 watchpoint

1: 什么是watchpoint

watchpoint，顾名思义，其一般用来观察某个变量/内存地址的状态(也可以是表达式），如可以监控该变量/内存值是否被程序读/写情况。

在gdb中可通过下面的几种方法来设置watchpoint：

    (gdb) watch 
        在指定变量/内存地址（表达式）expr设置一个watchpoint。
        一但expr值有变化时，将停住程序。
    (gdb) rwatch 
       当expr被读时，停住程序。
    (gdb) awatch 
       当expr被读或被写时，停住程序。
    (gdb) info watchpoints 
        列出当前所设置了的所有观察点。（info break也可查看）

gdb watchpoint实践:

以GDB十分钟快速入门教程的gdb-sample.c为例，
在gdb-sample.c中, 变量n总共被改变了3次,如果我们下个watchpoint在n变量处，因为n变量改变了3次而响应3次watchpoint,因而程序会将被调试器暂停运行3次:

编译gdb-sample.c，并使用gdb 加载gdb-sample：

watchpoint只能在程序启动后设置，先在main那下个断点，让程序启动后暂停在main函数处：

给n变量下个watchpoint：

敲入"c"命令让程序恢复运行，这时候程序会停止在第一次n变量改变处

并提示即将运行的下一条的语句：

重复如上操作，程序还会停止两次，所有gdb输出如下：

2: watchpoint在gdb中的实现原理

watchpoint可以看成是一种特殊的"断点", 其实现一般需要CPU支持硬件断点，如果纯软件实现watchpoint，那好像会很耗CPU.(我没
去看gdb的软0watchpoint的实现，有时间得去研究下，不过如果让我来实现这个功能(和同事讨论过)，应该是设置watchpoint所在的
那个页表为不可读/访问,然后在缺页处理那检测当前的页和地址是否是软设置watchpoint所在的页和watchpoint的地址，如果是，则
说明可以假设该watchpoint发生了)

目前支持watchpoint硬件断点的arch有x86,ppc和mips。

如果支持硬件断点，那么可以将监控的操作交给硬件来完成，而gdb这边只要做个简单的逻辑处理就行.
还是以上面的gdb-sample.c为例：

当gdb执行watch n命令后，gdb会在n变量所在的内存地址上下个硬件写断点。

(如果是 rwatch n命令,gdb会在n变量所在的内存地址上下个硬件读断点)
(tips: gdb 通过系统调用ptrace()去修改调试寄存器值，从而达到实现硬件断点的目的)

这样只要系统操作了n变量(内存地址),就会触发一个硬件断点中断。
gdb捕获到这个断点中断后，就会将新的n变量值和改变前的值做比较，
1)如果n变量的值改变了，则将程序停止。
2)如果n变量的值没有改变了，则程序继续运行。

关于硬件断点，可以参考x86 调试寄存器 一文。

3: 远程gdb server的watchpoint 实现

如果调试本地应用程序，gdb可以直接通过ptrace发出的信号得到watchpoint信息。

如果远程调试程序，gdb怎么从远程gdb server那得到watchpoint信息呢？

说到这里，又不得不搬出 GDB远程串行协议了..
在GDB远程串行协议里定义了gdb server和gdb所有的通信规则，所以要告诉gdb，远程gdb server那边踩中watchpoint了，还得通过那个协议来传达。

在GDB远程串行协议的Stop-Reply-Packets里定义了如何传达watchpoint信息：

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`T AA n1:r1;n2:r2;...'
    The program received signal number AA (a two-digit hexadecimal number).
    This is equivalent to an `S' response, except that the `n:r' pairs can
    carry values of important registers and other information directly in
    the stop reply packet, reducing round-trip latency. Single-step and
    breakpoint traps are reported this way. Each `n:r' pair is interpreted
    as follows:
        * If n is a recognized stop reason, it describes a more specific
    event that stopped the target. The currently defined stop reasons are
    listed below. aa should be `05', the trap signal. At most one stop 
    reason should be present.
 
    The currently defined stop reasons are:
    `watch'
    `rwatch'
    `awatch'
     The packet indicates a watchpoint hit, and r is the data address, in hex.

所以只要在Stop-Reply-Packets里添加 watch＋断点地址格式的数据，gdb就知道那边踩中watchpoint了.