調(diào)試寄存器

在x86/x64CPU內(nèi)部，還有一組用于支持軟件調(diào)試的寄存器。

調(diào)試，對(duì)于我們程序員是家常便飯，必備技能。但你想過(guò)你的程序能夠被調(diào)試背后的原理嗎？

程序能夠被調(diào)試，關(guān)鍵在于能夠被中斷執(zhí)行和恢復(fù)執(zhí)行，被中斷的地方就是我們?cè)O(shè)置的斷點(diǎn)。那程序是如何能在遇到斷點(diǎn)的時(shí)候停下來(lái)呢？

對(duì)于一些解釋執(zhí)行（PHP、Python、JavaScript）或虛擬機(jī)執(zhí)行（Java）的高級(jí)語(yǔ)言，這很容易辦到，因?yàn)樗鼈兊膱?zhí)行都在解釋器/虛擬機(jī)的掌控之中。

而對(duì)于像C、C++這樣的“底層”編程語(yǔ)言，程序代碼是直接編譯成CPU的機(jī)器指令來(lái)執(zhí)行的，這就需要CPU來(lái)提供對(duì)于調(diào)試的支持了。

對(duì)于通常的斷點(diǎn)，也就是程序執(zhí)行到某個(gè)位置下就停下來(lái)，這種斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的方式，在x86/x64上，是利用了一條軟中斷指令：int 3來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。

注意，這里的int不是指高級(jí)語(yǔ)言里面的整數(shù)，而是表示interrupt中斷的意思，是一條匯編指令，int 3則表示中斷向量號(hào)為3的中斷。

在我們使用調(diào)試器下斷點(diǎn)時(shí)，調(diào)試器將會(huì)把對(duì)應(yīng)位置的原來(lái)的指令替換為一個(gè)int 3指令，機(jī)器碼為0xCC。這個(gè)動(dòng)作對(duì)我們是透明的，我們?cè)谡{(diào)試器中看到的依然是原來(lái)的指令，但實(shí)際上內(nèi)存中已經(jīng)不是原來(lái)的指令了。

順便提一句，兩個(gè)0xCC是漢字【燙】的編碼，在一些編譯器里，會(huì)給線程的棧中填充大量的0xCC，如果程序出錯(cuò)的時(shí)候，我們經(jīng)常會(huì)看到很多燙燙燙出現(xiàn)，就是這個(gè)原因。

言歸正傳，CPU在執(zhí)行這條int 3指令時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)中斷處理流程（雖然這實(shí)際上不是一個(gè)真正的中斷），CPU將取出IDTR寄存器指向的中斷描述符表IDT的第3項(xiàng)，執(zhí)行里面的中斷處理函數(shù)。

而這個(gè)中斷描述符表，早在操作系統(tǒng)啟動(dòng)之初，就已經(jīng)提前安排好了，所以執(zhí)行這條指令后，操作系統(tǒng)的中斷處理函數(shù)將介入，來(lái)處理這一事件。

后面的過(guò)程就多了，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，操作系統(tǒng)會(huì)把觸發(fā)這一事件的進(jìn)程凍結(jié)起來(lái)，隨后將這一事件發(fā)送到調(diào)試器，調(diào)試器拿到之后就知道目標(biāo)進(jìn)程觸發(fā)斷點(diǎn)了。這個(gè)時(shí)候，咱們程序員就能通過(guò)調(diào)試器的UI交互界面或者命令行調(diào)試接口來(lái)調(diào)試目標(biāo)進(jìn)程，查看堆棧、查看內(nèi)存、變量都隨你。

如果我們要繼續(xù)運(yùn)行，調(diào)試器將會(huì)把之前修改的int 3指令給恢復(fù)回去，然后告知操作系統(tǒng)：我處理完了，把目標(biāo)進(jìn)程解凍吧！

上面簡(jiǎn)單描述了一下普通斷點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)原理。現(xiàn)在思考一個(gè)場(chǎng)景：我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)bug，某個(gè)全局整數(shù)型變量的值老是莫名其妙被修改，但你發(fā)現(xiàn)有很多線程，很多函數(shù)都有可能會(huì)去修改這個(gè)變量，你想找出到底誰(shuí)干的，怎么辦？

這個(gè)時(shí)候上面的普通斷點(diǎn)就沒(méi)辦法了，你需要一種新的斷點(diǎn)： 硬件斷點(diǎn) 。

這時(shí)候就該本小節(jié)的主人公調(diào)試寄存器登場(chǎng)表演了。

在x86架構(gòu)CPU內(nèi)部，提供了8個(gè)調(diào)試寄存器DR0~DR7。

DR0~DR3：這是四個(gè)用于存儲(chǔ)地址的寄存器

DR4~DR5 ：這兩個(gè)有點(diǎn)特殊，受前面提到的CR4寄存器中的標(biāo)志位DE位控制，如果CR4的DE位是1，則DR4、DR5是不可訪問(wèn)的，訪問(wèn)將觸發(fā)異常。如果CR4的DE位是0，則DR4和DR5將會(huì)變成DR6和DR7的別名，相當(dāng)于做了一個(gè)軟鏈接。這樣做是為了將DR4、DR5保留，以便將來(lái)擴(kuò)展調(diào)試功能時(shí)使用。

DR6 ：這個(gè)寄存器中存儲(chǔ)了硬件斷點(diǎn)觸發(fā)后的一些狀態(tài)信息

DR7 ：調(diào)試控制寄存器，這里面記錄了對(duì)DR0-DR3這四個(gè)寄存器中存儲(chǔ)地址的中斷方式（是對(duì)地址的讀，還是寫(xiě)，還是執(zhí)行）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（1/2/4個(gè)字節(jié)）以及作用范圍等信息

通過(guò)調(diào)試器的接口設(shè)置硬件斷點(diǎn)后，CPU在執(zhí)行代碼的過(guò)程中，如果滿足條件，將自動(dòng)中斷下來(lái)。

回答前面提出的問(wèn)題，想要找出是誰(shuí)偷偷修改了全局整形變量，只需要通過(guò)調(diào)試器設(shè)置一個(gè)硬件寫(xiě)入斷點(diǎn)即可。

描述符寄存器

所謂 描述符 ，其實(shí)就是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)記錄一些信息，‘描述’一個(gè)東西。把很多個(gè)描述符排列在一起，組成一個(gè)表，就成了描述符表。再使用一個(gè)寄存器來(lái)指向這個(gè)表，這個(gè)寄存器就是 描述符寄存器 。

在x86/x64系列CPU中，有三個(gè)非常重要的描述符寄存器，它們分別存儲(chǔ)了三個(gè)地址，指向了三個(gè)非常重要的描述符表。

gdtr: 全局描述符表寄存器，前面提到，CPU現(xiàn)在使用的是段+分頁(yè)結(jié)合的內(nèi)存管理方式，那系統(tǒng)總共有那些分段呢？這就存儲(chǔ)在一個(gè)叫全局描述符表（ GDT ）的表格中，并用gdtr寄存器指向這個(gè)表。這個(gè)表中的每一項(xiàng)都描述了一個(gè)內(nèi)存段的信息。

ldtr: 局部描述符表寄存器，這個(gè)寄存器和上面的gdtr一樣，同樣指向的是一個(gè)段描述符表（ LDT ）。不同的是，GDT是全局唯一，LDT是局部使用的，可以創(chuàng)建多個(gè)，隨著任務(wù)段切換而切換（下文介紹任務(wù)寄存器會(huì)提到）。

GDT和LDT中的表項(xiàng)，就是段描述符，描述了一個(gè)內(nèi)存分段的信息。

一個(gè)表項(xiàng)占據(jù)8個(gè)字節(jié)（32位CPU），里面存儲(chǔ)了一個(gè)內(nèi)存分段的諸多信息：基地址、大小、權(quán)限、類型等信息。

除了這兩個(gè)段描述符寄存器，還有一個(gè)非常重要的描述符寄存器：

idtr : 中斷描述符表寄存器，指向了 中斷描述符表IDT ，這個(gè)表的每一項(xiàng)都是一個(gè)中斷處理描述符，當(dāng)CPU執(zhí)行過(guò)程中發(fā)生了硬中斷、異常、軟中斷時(shí)，將自動(dòng)從這個(gè)表中定位對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)，里面記錄了發(fā)生中斷、異常時(shí)該去哪里執(zhí)行處理函數(shù)。

IDT中的表項(xiàng)稱為 Gate ，中文意思為 門(mén) ，因?yàn)檫@是應(yīng)用程序進(jìn)入內(nèi)核的主要入口。雖然表的名字叫中斷描述符表，但表中存儲(chǔ)的不全是中斷描述符，IDT中的表項(xiàng)存在三種類型，對(duì)應(yīng)三種類型的門(mén)：

• 任務(wù)門(mén)
• 陷阱門(mén)
• 中斷門(mén)

三種描述符中都存儲(chǔ)了處理這個(gè)中斷/異常/任務(wù)時(shí)該去哪里處理的地址。三種門(mén)用途不一，其中中斷門(mén)是真正意義上的中斷，而像前面提到的調(diào)試指令int 3以及老式的系統(tǒng)調(diào)用指令int 2e/int 80都屬于陷阱門(mén)。任務(wù)門(mén)則用的較少，要了解任務(wù)門(mén)，先了解下任務(wù)寄存器。

任務(wù)寄存器

現(xiàn)代操作系統(tǒng)，都是支持多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的，x86架構(gòu)CPU為了順應(yīng)時(shí)代潮流，在硬件層面上提供了專門(mén)的機(jī)制用來(lái)支持多任務(wù)的切換，這體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

CPU內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)專用的寄存器—— 任務(wù)寄存器TR ，它指向當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)。

定義了描述任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) TSS ，里面存儲(chǔ)了一個(gè)任務(wù)的上下文（一系列寄存器的值），下圖是一個(gè)32位CPU的TSS結(jié)構(gòu)圖：

x86CPU的構(gòu)想是每一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)TSS，然后由TR寄存器指向當(dāng)前的任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)切換時(shí)，修改TR寄存器的指向即可，這是硬件層面的多任務(wù)切換機(jī)制。

這個(gè)構(gòu)想其實(shí)還是很不錯(cuò)的，然而現(xiàn)實(shí)卻打了臉，包括Linux和Windows在內(nèi)的主流操作系統(tǒng)都沒(méi)有使用這個(gè)機(jī)制來(lái)進(jìn)行線程切換，而是自己使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程切換。

所以，絕大多數(shù)情況下，TR寄存器都是指向固定的，即便線程切換了，TR寄存器仍然不會(huì)變化。

注意，我這里說(shuō)的的是絕大多數(shù)情況，而沒(méi)有說(shuō)死。雖然操作系統(tǒng)不依靠TSS來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)切換，但這并不意味著CPU提供的TSS操作系統(tǒng)一點(diǎn)也沒(méi)有使用。還是存在一些特殊情況，如一些異常處理會(huì)使用到TSS來(lái)執(zhí)行處理。

下面這張圖，展示了控制寄存器、描述符寄存器、任務(wù)寄存器構(gòu)成的全貌：

模型特定寄存器

從80486之后的x86架構(gòu)CPU，內(nèi)部增加了一組新的寄存器，統(tǒng)稱為 MSR寄存器 ，中文直譯是模型特定寄存器，意思是這些寄存器不像上面列出的寄存器是固定的，這些寄存器可能隨著不同的版本有所變化。這些寄存器主要用來(lái)支持一些新的功能。

隨著x86CPU不斷更新?lián)Q代，MSR寄存器變的越來(lái)越多，但與此同時(shí)，有一部分MSR寄存器隨著版本迭代，慢慢固化下來(lái)，成為了變化中那部分不變的，這部分MSR寄存器，Intel將其稱為Architected MSR，這部分MSR寄存器，在命名上，統(tǒng)一加上了IA32的前綴。

這里選取三個(gè)代表性的MSR簡(jiǎn)單介紹一下：

• IA32_SYSENTER_CS
• IA32_SYSENTER_ESP
• IA32_SYSENTER_EIP

這三個(gè)MSR寄存器是用來(lái)實(shí)現(xiàn) 快速系統(tǒng)調(diào)用 。

在早期的x86架構(gòu)CPU上，系統(tǒng)調(diào)用依賴于軟中斷實(shí)現(xiàn)，類似于前面調(diào)試用到的int 3指令，在Windows上，系統(tǒng)調(diào)用用到的是 int 2e ，在Linux上，用的是 int 80 。

軟中斷畢竟還是比較慢的，因?yàn)閳?zhí)行軟中斷就需要內(nèi)存查表，通過(guò)IDTR定位到IDT，再取出函數(shù)進(jìn)行執(zhí)行。

系統(tǒng)調(diào)用是一個(gè)頻繁觸發(fā)的動(dòng)作，如此這般勢(shì)必對(duì)性能有所影響。在進(jìn)入奔騰時(shí)代后，就加上了上面的三個(gè)MSR寄存器，分別存儲(chǔ)了執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用后，內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用入口函數(shù)所需要的段寄存器、堆棧棧頂、函數(shù)地址，不再需要內(nèi)存查表?？焖傧到y(tǒng)調(diào)用還提供了專門(mén)的CPU指令sysenter/sysexit用來(lái)發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用和退出系統(tǒng)調(diào)用。

在64位上，這一對(duì)指令升級(jí)為 syscall/sysret 。

總結(jié)

以上就是全部要介紹的寄存器了，需要說(shuō)明一下的是，這并不是x86CPU全部所有的寄存器，除了這些，還存在XMM、MMX、FPU浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等其他寄存器。

這篇文章以x86/x64架構(gòu)CPU為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)CPU內(nèi)部寄存器的闡述，串講了CPU執(zhí)行代碼機(jī)制、內(nèi)存尋址技術(shù)、中斷與異常處理、多任務(wù)管理、系統(tǒng)調(diào)用、調(diào)試原理等多種計(jì)算機(jī)底層知識(shí)。