DWARF段解析
为什么ELF中需要这一段
从一次段错误说起
想像你正在写这样一段 C 代码：
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编译运行：
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用 gdb 调试：
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问题来了：
- gdb 为什么知道崩溃地址 0x000055555555513d 对应的是 hello.c 第 3 行？
- 更进一步，
bt怎么把栈回溯成人类可读的函数名、行号、参数？
“-g” 背后的故事
把源码变成可执行文件，通常经历：
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当你加 -g 时，编译器在生成机器码的同时，会额外产出一张“地图”：
- 地址 ↔ 行号（行表）
- 地址 ↔ 函数、变量、类型（DIE 树）
- 栈帧如何回退（CFI）
- 宏、内联、模板实例化……
这些调试信息被塞进一组以 .debug_ 开头的 ELF section 里，格式规范就是 DWARF（Debugging With Attributed Record Formats）。
DWARF 名称的来历与版本简史
- 最早在 1988 年由 Bell Labs 的 UNIX 系统引入，用来取代 stabs 格式。
- 名字借用了《白雪公主》里七个小矮人（Dwarf），暗示“小巧却功能齐全”。
- 版本演进：
DWARF1（1992） → DWARF2（1993，ELF 通用） → DWARF3（2006，支持更多语言） → DWARF4（2010，压缩/类型单元） → DWARF5（2017，索引、字符串池、Split-DWARF）。 - 今天 Linux、*BSD、macOS、甚至 WebAssembly 上，DWARF 都是事实标准。
ELF 视角：DWARF 在可执行文件中的存在形态
在 ELF 的语境下，DWARF 调试信息并非以单一连续区域出现，而是以一组具有严格命名约定的 section 为核心载体。
section 的枚举
使用 GNU binutils 提供的 readelf 工具，可直接枚举目标文件的所有 section：
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上述输出表明，DWARF 调试信息由以 .debug_ 为前缀的若干 PROGBITS 类型 section 承载。每个 section 在文件中有独立的偏移与长度，于链接阶段可被合并或拆分，但彼此逻辑上紧密关联。
section 与 segment 的区分
在 ELF 规范中，section 用于描述“链接视图”，而 segment（程序头部表项，Program Header）描述“执行视图”。调试信息 section 通常带有 SHF_ALLOC 以外的标志，因此默认不会被映射到进程地址空间。换言之：
- section 是静态分析（链接、调试）的粒度；
- segment 是运行时（加载、执行）的粒度。
除非显式使用 --build-id 与 .note.gnu.build-id 机制，将调试信息单独存放并通过 .gnu_debuglink 引用，否则生产环境的可执行文件往往通过 strip 移除 .debug_* section，以减小体积。
DWARF 语法与语义详解
debug_abbrev
该段的作用
.debug_abbrev 为 .debug_info 中所有调试信息条目（DIE）提供“模板”。它只存放结构：每个 DIE 属于什么类型（tag）、是否包含子节点、拥有哪些属性、这些属性以何种数据格式（form）存放。如此可避免在 .debug_info 中重复描述字段。
示例程序
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编译命令：
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解析命令和解析结果
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输出：
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分析
“Number 1” 对应编译单元（DW_TAG_compile_unit）。
- “has children” 表明它下面会挂子 DIE（例如函数、变量）。
- 属性列表给出了编译器、语言类型、源文件名、目录、代码起止地址、行号表偏移等。
“Number 2” 对应子程序（DW_TAG_subprogram），即函数 add。
- 属性提供了函数名、声明文件/行/列、函数签名、返回类型、函数体地址范围以及计算帧基址的表达式。
.debug_abbrev 不直接存放上述字符串或地址，而是规定“此处应有一个 DW_FORM_strp 的字符串，此处应有一个 DW_FORM_addr 的地址”，真正的数据全部放在 .debug_info 中，解析器只需按“模板”顺序读取即可。
debug_info
该段的作用
.debug_info 存放构成调试信息树的所有 DIE（Debugging Information Entry）。每个 DIE 由 abbrev code 指向 .debug_abbrev 中的模板，随后按模板给出的属性顺序和格式，依次存储属性值。通过这些 DIE，调试器可在运行时把机器地址映射到源文件位置、变量名、类型描述及作用域层级。
示例程序
同上
解析命令和解析结果
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输出：
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分析
偏移 0x0 的 DIE 对应编译单元（DW_TAG_compile_unit）。
- 通过 abbrev 1 可知其属性顺序：DW_AT_producer 给出编译器版本；DW_AT_language 标识语言为 C99；DW_AT_name 与 DW_AT_comp_dir 共同确定了源文件完整路径；DW_AT_low_pc / DW_AT_high_pc 描述本 CU 机器码地址范围（此处为 0x0–0x18）；DW_AT_stmt_list 指向 .debug_line 的行号表。
偏移 0x2d 的 DIE 对应函数 add（DW_TAG_subprogram）。
- abbrev 2 指定其属性：
• DW_AT_name 指向字符串表中的 “add”；
• DW_AT_decl_file / DW_AT_decl_line 指出函数定义在 demo.c 第 1 行；
• DW_AT_prototyped = 1 表示函数有原型；
• DW_AT_type = <0x6a> 表示返回值类型 DIE 位于同一 CU 偏移 0x6a；
• DW_AT_low_pc / DW_AT_high_pc 给出函数体机器码范围 0x0–018；
• DW_AT_frame_base 在 DWARF 操作码中，0x9c 对应 DW_OP_call_frame_cfa，说明使用调用帧的CFA作为帧基址。
- abbrev 2 指定其属性：
偏移 0x4f 的 DIE 对应形参 a（DW_TAG_formal_parameter）。
- abbrev 3 指定属性：
• DW_AT_name = “a”；
• DW_AT_decl_file / DW_AT_decl_line 指出其在 demo.c 第 1 行；
• DW_AT_type = <0x6a> 指向返回值类型 DIE；
• DW_AT_location 使用 DW_OP_fbreg 操作码，表示该参数在帧基址下偏移 -20 字节。
- abbrev 3 指定属性：
debug_line
该段的作用
.debug_line 以状态机方式记录“机器地址 ↔ 源文件行列”的精确对应关系，并提供语句边界、基本块、函数序言/结尾等标记。调试器借此在断点、崩溃或单步时，将任意指令地址转换为人类可读的源位置，反之亦然。
示例程序
同上
解析命令和解析结果
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典型输出（节选，行号→地址）：
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分析
- 第一条记录：demo.c 第 1 列 0 → 地址 0x0，is_stmt 标记说明这是“推荐断点”位置（函数入口）。
- 第二条记录：demo.c 第 2 列 0xe → 地址 0xe，is_stmt 标记说明这是“推荐断点”位置（函数体开始）。
- 第三条记录：demo.c 第 3 列 0x16 → 地址 0x16，is_stmt 标记说明这是“推荐断点”位置（函数体结束）。
- 第四条记录：demo.c 第 3 列 - → 地址 0x18，is_stmt 标记为 false，表示这是函数结尾（return 语句）位置，不建议设置断点。
debug_frame / eh_frame
该段的作用
.debug_frame 与 .eh_frame 以统一的 CIE/FDE 表格式描述“如何在运行时从任意指令地址回退到上一栈帧”。
• 调试器：崩溃时生成回溯 (backtrace)。
• 采样剖析器：如 perf，依赖 CFI 做无帧指针回溯。
• 异常机制：C++ throw 或 Rust panic 展开栈帧，同样复用 .eh_frame。
解析命令和解析结果
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典型输出（节选）：
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分析
CIE（Common Information Entry）
- 起始地址 0x0，长度 0x14，提供公共规则：
- 帧基址寄存器为 rbp，偏移 16；
- 返回地址保存于偏移 -16(rbp)。
- 起始地址 0x0，长度 0x14，提供公共规则：
FDE（Frame Description Entry）
– 起始地址 0x18，长度 0x10，关联同一 CIE；
– pc 范围 0x0–018 恰好覆盖 add 函数全部指令；
– 在函数序言后 4 字节处，通过 DW_CFA_def_cfa rsp, 8 将帧基址切换为 rsp+8，实现无帧指针回溯。
调试器或异常运行时，若采样到地址 0x7（位于 add 函数中部），即可按上述规则恢复前一栈帧的 rbp、rip，从而生成可信的回溯链。
debug_loc —— 变量位置列表（Location Lists）
该段的作用
.debug_loc 为同一变量在不同代码区间提供寄存器位置信息。每条记录包含起始地址、结束地址及对应的位置表达式，调试器据此在单步或回溯时显示正确的变量值。
示例程序
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编译：
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解析命令和解析结果
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输出：
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分析
- 第一条记录：
- 起始地址 0x4，结束地址 0x8，表示 a 在寄存器 rdi（edi）。
- 这意味着在函数 foo 的前半段，a 的值直接存储在寄存器中。
- 第二条记录：
- 起始地址 0x7，结束地址 0x8，表示 a 在栈 [rbp-4]。
- 这意味着在函数 foo 的后半段，由于编译器优化，a 的值被溢出到栈上，而不再使用寄存器 edi。
- 第三条记录：
- 起始地址 0x7，结束地址 0x8，表示 b 在寄存器 rax（eax）。
- 这意味着在函数 foo 的后半段，b 的值被计算并存储在寄存器中。
调试器在地址 0x7 处暂停时，会按第二条记录到栈 [rbp-4] 读取 a，而不是继续去寄存器 edi；若用户尝试打印超出 0xf 后的 a，调试器会报告“变量已被优化掉”。
DIE 类型详解
第一类：作用域与容器类
1. DW_TAG_compile_unit
- 描述整个翻译单元（一个 .c/.cpp 文件及其包含的所有代码与数据）。包含语言类型、编译器版本、源码路径、低/高 PC 范围、行号表偏移等全局信息。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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2. DW_TAG_subprogram
- 描述一个函数或成员函数，记录函数名、返回值类型、入口地址范围、帧基址计算方式、形参列表等。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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3. DW_TAG_inlined_subroutine
- 描述被内联展开的函数实例，保留其原函数名、调用点文件/行号、内联后的地址范围，用于调试器正确回溯内联代码。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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4. DW_TAG_structure_type
- 描述 C 结构体或 C++ POD 结构，记录名称、字节大小、成员列表与每个成员的偏移。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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5. DW_TAG_class_type
- 描述 C++ 类（含成员函数、继承信息等）。与 DW_TAG_structure_type 类似，但可附加 DW_TAG_inheritance、DW_TAG_subprogram 子 DIE。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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6. DW_TAG_union_type
- 描述联合体，列出各成员及其在联合体中的起始偏移（均为 0）。
- 例子：
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- 对应 DIE 片段：
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第二类：数据对象类
1. DW_TAG_variable
- 描述全局或静态变量、常量、线程局部变量等。记录变量名、类型、作用域、存储位置（寄存器、栈偏移、绝对地址等）。
- 例子：
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DW_TAG_variable
DW_AT_name ("counter")
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type int)
DW_AT_location (DW_OP_addr 0x2000)
DW_AT_linkage_name ("counter")
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#### 2. DW_TAG_formal_parameter
- 描述函数形参。记录参数名、类型、所在寄存器或栈偏移。
- 例子：
```c
int add(int a, int b) { return a + b; }
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_subprogram "add"
...
DW_TAG_formal_parameter
DW_AT_name ("a")
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type int)
DW_AT_location (DW_OP_reg5) ; edi
DW_TAG_formal_parameter
DW_AT_name ("b")
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type int)
DW_AT_location (DW_OP_reg4) ; esi
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#### 3. DW_TAG_enumerator
- 描述枚举中的单个常量成员。记录常量名及其数值。
- 例子：
```c
enum Color { RED = 0, GREEN = 1, BLUE = 2 };
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_enumeration_type "Color"
...
DW_TAG_enumerator
DW_AT_name ("RED")
DW_AT_const_value (0)
DW_TAG_enumerator
DW_AT_name ("GREEN")
DW_AT_const_value (1)
DW_TAG_enumerator
DW_AT_name ("BLUE")
DW_AT_const_value (2)
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### 第三类：类型描述类
#### 1. DW_TAG_typedef
- 为已有类型定义新的别名，记录别名名、底层类型。
- 例子：
```c
typedef unsigned int uint32_t;
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_typedef
DW_AT_name ("uint32_t")
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type "unsigned int")
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#### 2. DW_TAG_pointer_type
- 描述指针类型本身，记录指针大小及所指向的类型。
- 例子：
```c
int *p;
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_pointer_type
DW_AT_byte_size (8)
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type int)
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#### 3. DW_TAG_array_type
- 描述数组类型，记录元素类型及维度信息（通过 DW_TAG_subrange_type 子 DIE）。
- 例子：
```c
int arr[4];
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_array_type
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type int)
DW_TAG_subrange_type
DW_AT_upper_bound (3)
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#### 4. DW_TAG_subrange_type
- 描述数组维度或切片范围，给出上下界。
- 例子：
```c
int matrix[2][3];
```
- 对应 DIE 片段（第二维）：
DW_TAG_subrange_type
DW_AT_upper_bound (2)
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#### 5. DW_TAG_enumeration_type
- 描述枚举类型本身，记录名称、底层整数类型及所有枚举常量列表。
- 例子：
```c
enum Status { OK = 0, ERROR = 1 };
```
- 对应 DIE 片段：
DW_TAG_enumeration_type
DW_AT_name ("Status")
DW_AT_type (reference to DW_TAG_base_type "int")
DW_TAG_enumerator ("OK") DW_AT_const_value (0)
DW_TAG_enumerator ("ERROR") DW_AT_const_value (1)
```