Lua中如何实现类似gdb的断点调试—07支持通过函数名称添加断点

2022 年 3 月 14 日
筆記
lua, 编程开发, 调试

我们之前已经支持了通过函数来添加断点，并且已经支持了行号的检查和自动修正。但是通过函数来添加断点有一些限制，如果在当前的位置无法访问目标函数，那我们就无法对其添加断点。

于是，本篇我们将扩展断点设置的接口，支持通过函数名称添加断点，以突破这个限制。

源码已经上传Github，欢迎watch/star😘。

本博客已迁移至CatBro’s Blog，那是我自己搭建的个人博客，欢迎关注。本文链接

实现分析

由于Lua是动态类型语言，变量可以是任何值。而函数在Lua语言中又是第一类值，与其他值一样使用，可以被存放在变量中、作为参数或返回值传递。所以一个函数的名字是不确定的，它可能是任意名字，取决于函数调用时候的变量的名称。

通过下面这个简单的例子，就可以看出来

local ldb = require "luadebug"
local setbp = ldb.setbreakpoint
local rmbp = ldb.removebreakpoint

local function foo()
end

setbp(foo, 6)

local bar = foo

foo()
bar()

我们在foo函数中添加了一个断点，将foo函数赋值给局部变量bar，然后分别用foo和bar调用函数。运行这个脚本结果如下：

$ lua namenotstable.lua
Lua (local)foo namenotstable.lua:6
lua_debug> cont
Lua (local)bar namenotstable.lua:6
lua_debug> cont

调用foo()和bar()都会碰到断点，函数名称分别为foo和bar。

所以通过函数名称添加的断点并不是确定的，函数名称和函数之间并不是一一映射的关系，而可能是m对n的关系。就算已经匹配到了一个与断点设置的函数名称一致的函数，我们也不能简单地将函数名称断点转换成相应的函数断点，而是仍然需要维护函数名称断点。

因此，我们需要增加一个维护函数名称断点的数据结构—-新的断点表status.namebpt。类似之前在05优化断点信息数据结构中添加的status.funcbpt表，只是表的键由之前的函数变成了函数名称。status.namebpt表的值同样是一个表，该表的键是断点行号，值为断点id。同样地，为了快速获取断点个数，我们在表中额外加了一个特殊的num字段保存该函数名称中的断点个数。

通过下面的例子来直观地看一下，假设我们的bptable表中添加了两个断点如下（name字段用来保存函数名称）：

bptable[1] = {name = "foo", line = 10}
bptable[2] = {name = "foo", line = 20}

对应的在namebpt表中的操作如下：

namebpt["foo"] = {}          -- 构造表
namebpt["foo"][10] = 1	     -- 函数名foo，行号10，断点id为1
namebpt["foo"].num = 1       -- 该函数第一个断点
namebpt["foo"][20] = 2       -- 函数名foo，行号20，断点id为2
namebpt["foo"].num = namebpt["foo"].num + 1	-- 断点个数+1

OK，分析完了，接下来开始修改相应的代码实现。

添加断点

按照惯例，我们先修改设置断点函数。因为支持了通过函数名称设置断点，第一个参数需要支持string类型。为了简洁及代码重用，我们将之前通过函数设置断点的操作封装成了setfuncbp函数，另外将通过函数名称设置断点的操作封装成了setnamebp函数。

local function setbreakpoint(where, line)
    if (type(where) ~= "function" and type(where) ~= "string")
        or ( line and type(line) ~= "number") then
        io.write("invalid parameter\n")
        return nil
    end

    if type(where) == "function" then
        return setfuncbp(where, line)
    else            -- "string"
        return setnamebp(where, line)
    end
end

接下来，来看下setnamebp函数的实现：

local function setnamebp(name, line)
    local s = status
    local namebp = s.namebpt[name]
    if not line then                    -- 如果没有指定行号
        line = 0                        -- 用一个特殊值0来表示第一个有效行
    end
    -- 是否已经添加了相同的断点
    if namebp and namebp[line] then
        return namebp[line]
    end

    s.bpid = s.bpid + 1
    s.bpnum = s.bpnum + 1
    s.bptable[s.bpid] = {name = name, line = line}

    if not namebp then                  -- 该函数名称的第一个断点
        s.namebpt[name] = {}
        namebp = s.namebpt[name]
        namebp.num = 0
    end
    namebp.num = namebp.num + 1
    namebp[line] = s.bpid

    if s.bpnum == 1 then                -- 第一个全局断点
        debug.sethook(hook, "c")        -- 设置钩子函数的"call"事件
    end
    return s.bpid                       --> 返回断点id
end

因为我们支持不指定行号，但我们并不确定函数的第一个有效行是什么。为了方便地记录断点，又不至于与实际的断点行冲突，我们用了一个特殊值0来表示这种情况。

后续的逻辑与setfuncbp函数基本一致，如果已经添加了相同的断点，则返回之前的断点id。然后分别在bptable表和namebp表中添加断点。这里不再赘述。

删除断点

删除断点函数的改动不大。主要是要区分删除的是哪类断点，这个可以通过s.bptable表中id所对应的断点信息来判断。如果有func则说明是通过函数添加的断点，否则则是通过函数名称添加的断点。根据情况删除s.funcbpt或者s.namebpt表中的断点，最后删除s.bptable表中的断点。

local function removebreakpoint(id)
    local s = status
    if s.bptable[id] == nil then
        return
    end
    local func = s.bptable[id].func
    local name = s.bptable[id].name
    local line = s.bptable[id].line

    local dstbp = nil
    if func then
        dstbp = s.funcbpt[func]
    else
        dstbp = s.namebpt[name]
    end
    if dstbp and dstbp[line] then
        dstbp.num = dstbp.num - 1
        dstbp[line] = nil
        if dstbp.num == 0 then
            dstbp = nil
        end
    end

    s.bptable[id] = nil
    s.bpnum = s.bpnum - 1
    if s.bpnum == 0 then
        debug.sethook()                 -- 移除钩子
    end
end

获取函数信息

正如前面提到过的，因为函数名称信息是不确定的，所以我们修改了getfuncinfo函数实现，不再缓存函数名称信息，而只缓存确定的函数信息。

local function getfuncinfo (func)
    local s = status
    local info = s.funcinfos[func]
    if not info then
        info = debug.getinfo(func, "SL")
        if (info.activelines) then
            info.sortedlines = {}
            for k, _ in pairs(info.activelines) do
               table.insert(info.sortedlines, k)
            end
            table.sort(info.sortedlines)
        end
        s.funcinfos[func] = info
    end
    return info
end

钩子函数

钩子函数的改动主要是在call事件。函数名称每次都根据调用栈实时获取。首先在函数断点表s.funcbpt中查找当前函数是否有断点，如果没有则再去函数名称断点表s.namebpt中查找。需要检查断点行号是否在当前函数的定义范围之内，只有当行号在范围之内才认为匹配。如果没有指定行号的话（默认为第一个有效行），则总是认为匹配。另外，在调用栈信息表中，分别将确定的函数信息funcinfo和调用栈相关信息stackinfo分别保存，以供return事件和line事件时使用。

local function hook (event, line)
    local s = status
    if event == "call" or event == "tail call" then
        local stackinfo = debug.getinfo(2, "nf")
        local func = stackinfo.func
        local name = stackinfo.name
        local funcinfo = getfuncinfo(func)
        local hasbreak = false
        if s.funcbpt[func] then
            hasbreak = true
        end
        if not hasbreak and s.namebpt[name] then
            local min = funcinfo.linedefined
            local max = funcinfo.lastlinedefined
            for k, _ in pairs(s.namebpt[name]) do
                if k ~= "num" and ((k >= min and k <= max) or k == 0) then
                    hasbreak = true
                    break
                end
            end
        end
        if event == "call" then     -- for tail call, just overwrite
            s.stackdepth = s.stackdepth + 1
        end
        s.stackinfos[s.stackdepth] =
            {stackinfo = stackinfo, funcinfo = funcinfo, hasbreak = hasbreak}
        -- found breakpoint in current function
        if hasbreak then
            debug.sethook(hook, "crl")	-- add "line" event
        else        -- no breakpoints found
            debug.sethook(hook, "cr")   -- remove "line" event temporarily
        end
    elseif event == "return" or event == "tail return" then
            -- 省略
end

line事件也需要做相应的修改

local function hook (event, line)
    -- 省略
    elseif event == "line" then
        local sinfo = s.stackinfos[s.stackdepth].stackinfo
        local finfo = s.stackinfos[s.stackdepth].funcinfo
        local func = sinfo.func
        local name = sinfo.name
        local funcbp = s.funcbpt[func]
        local namebp = s.namebpt[name]
        if (funcbp and funcbp[line]) or (namebp and namebp[line])
            or (namebp and namebp[0] and line == finfo.sortedlines[1]) then
            local prompt = string.format("%s (%s)%s %s:%d\n",
                finfo.what, sinfo.namewhat, name, finfo.short_src, line)
            io.write(prompt)
            debug.debug()
        end
    end
end

在判断当前行是否有断点时，除了查看funcbpt表，还需要查看namebpt表，对于函数名称断点没有指定行号的情况，判断当前行是不是第一个有效行。打印提示信息时，则从stackinfos表中保存的信息中获取。

测试

代码修改好了，我们来测试下通过函数名称添加断点的功能。编写如下测试脚本：

local ldb = require "luadebug"
local setbp = ldb.setbreakpoint
local rmbp = ldb.removebreakpoint

local function foo()
    local a = 0
end

local function bar()
    local a = 0
end

local function pee()
    local a = 0
end

local id1 = setbp(foo)
local id2 = setbp(foo, 7)

local id3 = setbp("bar")
local id4 = setbp("bar", 11)
local id5 = setbp("bar", 100)

local id6 = setbp(pee)
local id7 = setbp("pee", 15)

foo()
bar()
pee()

rmbp(id1)
rmbp(id3)
rmbp(id6)

foo()
bar()
pee()

rmbp(id2)
rmbp(id4)
rmbp(id7)

foo()
bar()
pee()

我们添加了三个函数，其中foo函数以函数作为参数添加断点，bar函数以函数名称作为参数添加断点，pee函数分别用函数和函数名添加了一个断点。添加完断点，先分别调用一次，预期每个函数都会碰到两个断点。接着三个函数各删除一个断点，再各调用一次，预期每个函数都会碰到一个断点。最后三个函数再各删除一个断点，再各调用一次，预期不碰到断点。

运行测试脚本，结果符合预期。

$ lua test.lua
Lua (local)foo test.lua:6
lua_debug> cont
Lua (local)foo test.lua:7
lua_debug> cont
Lua (local)bar test.lua:10
lua_debug> cont
Lua (local)bar test.lua:11
lua_debug> cont
Lua (local)pee test.lua:14
lua_debug> cont
Lua (local)pee test.lua:15		# 第一次调用，每个函数碰到两个断点
lua_debug> cont					
Lua (local)foo test.lua:7
lua_debug> cont
Lua (local)bar test.lua:11
lua_debug> cont
Lua (local)pee test.lua:15		# 第二次调用，每个函数碰到一个断点
lua_debug> cont
$						# 第三次调用，不再碰到断点

Tags: lua 编程开发调试