OS 断点异常实现细节

接下来结合具体的代码讲解 OS 是如何实现断点异常的。

什么是断点异常？

断点异常（Breakpoint Exception）是一种特殊的中断，通常用于调试目的。当程序执行到设置了断点的位置时，处理器会触发断点异常，暂停程序的执行，并将控制权交给调试器。

在 x86 架构中，断点异常的中断号是 3（T_BRKPT）。当处理器遇到 INT 3 指令时，就会触发断点异常。INT 3 指令通常由调试替换到程序的代码中，用于标记断点的位置。

当断点异常发生时，处理器会保存当前的状态（包括程序计数器、寄存器的值等），并跳转到操作系统设置的断点异常处理函数。在你提供的代码中，trap_dispatch函数就是处理各种中断和异常的函数，其中对断点异常的处理是调用monitor函数。

断点异常是调试器实现单步执行、断点设置等调试功能的重要机制。

在 x86 架编中，断点异常是由中断号 3（T_BRKPT）触发的。在调试的时候如果打上断点表示在对应的汇编代码指定位置插入 INT 3 指令，当处理器遇到 INT 3 指令时，就会触发断点异常。INT 3 指令是一条特殊的软件中断指令，长度只有一个字节，因此可以替换几乎所有的机器指令。调试器通常会使用这个特性，在需要设置断点的地方将原来的指令替换为 INT 3 指令，然后在断点被触发后，再将原来的指令恢复，以此来实现断点调试的功能。

以下是一个简单的例子，展示了如何在汇编代码中使用 INT 3 指令来设置断点：

section .text
global _start

_start:
    mov eax, 1
    int 3 ; 设置断点
    add eax, 1
    ; ...

在这个例子中，我们在add eax, 1指令之前插入了一个 INT 3 指令。当这段代码被执行时，处理器会在执行到 INT 3 指令时触发一个断点异常，然后操作系统的中断处理程序会接管控制权。在 JOS 操作系统中，当发生断点异常时，会调用monitor函数进入内核监视器，这样开发者就可以查看和修改程序的状态，或者单步执行程序，以便进行调试。

如何确定 Trap 为段点异常？

上一篇文章已经讲过页面错误处理了，在 trap_dispatch 函数中增加断点异常的处理逻辑，即下面的代码。

    switch (tf->tf_trapno) {
        case T_PGFLT:
            page_fault_handler(tf);
            return;
        case T_BRKPT:
            monitor(tf);
            return;
    }

在这段代码中，当中断向量号（tf->tf_trapno）为 T_BRKPT（即断点异常）时，会直接调用 monitor(tf) 函数。这是因为在 JOS 操作系统中，断点异常被用作一种原始的伪系统调用，任何用户环境都可以使用它来调用 JOS 内核监视器。

当程序执行到一个断点时，CPU 会触发一个断点异常，然后操作系统的中断处理程序会接管控制权。在这个例子中，JOS 的中断处理程序选择调用 monitor(tf) 函数，进入内核监视器。这样，开发者就可以在内核监视器中查看和修改程序的状态，或者单步执行程序，以便进行调试。

总的来说，这是一种利用断点异常进行程序调试的方法。

为什么是替换指令？不是插入指令？

在 x86 架构中，断点通常是通过替换相关的程序指令为特殊的 1 字节int 3软件中断指令来实现的。这是因为int 3指令的长度只有一个字节，因此它可以替换几乎所有的机器指令。当处理器执行到int 3指令时，会触发一个断点异常，然后操作系统的中断处理程序会接管控制权，进行相应的处理。

如果我们选择插入int 3指令，而不是替换原有的指令，那么会改变程序的控制流，可能导致程序的行为发生变化，这显然是我们不希望看到的。因此，我们选择替换原有的指令，而不是插入新的指令。

在断点被触发后，调试器会将原来的指令恢复，以此来实现断点调试的功能。这样，程序在断点处暂停执行，开发者可以查看和修改程序的状态，然后继续执行程序。这就是为什么我们选择替换原有的指令，而不是插入新的指令。

为什么插入会改变程序的控制流？

在 x86 架构中，插入int 3指令而不是替换原有的指令会改变程序的控制流，可能导致程序的行为发生变化。这是因为插入新的指令会改变后续指令的地址，这可能会影响到程序中的跳转指令，从而改变程序的执行流程。

例如，假设我们有以下的汇编代码：

section .text
global _start

_start:
    mov eax, 1
    jmp label
    ; ...

label:
    add eax, 1
    ; ...

在这个例子中，jmp label指令会跳转到label标签所在的位置执行。如果我们在mov eax, 1指令后插入一个int 3指令，代码会变成：

section .text
global _start

_start:
    mov eax, 1
    int 3
    jmp label
    ; ...

label:
    add eax, 1
    ; ...

在这个例子中，jmp label指令的目标地址没有改变，但是由于我们插入了一个新的指令，label标签的位置发生了改变。这就导致了jmp label指令跳转到了错误的位置，从而改变了程序的执行流程。

因此，为了避免这种情况，我们通常会选择替换原有的指令，而不是插入新的指令。在断点被触发后，调试器会将原来的指令恢复，以此来实现断点调试的功能。

替换指令的细节

在断点被触发前，调试器会将原来的指令替换为int 3指令，然后在断点被触发后，再将原来的指令恢复，以此来实现断点调试的功能。

例如，假设我们有以下的汇编代码：

mov eax, 1
add eax, 1

如果我们想在add eax, 1这条指令处设置一个断点，我们可以将这条指令替换为int 3指令，如下：

mov eax, 1
int 3

当这段代码被执行时，处理器会在执行到int 3指令时触发一个断点异常，然后操作系统的中断处理程序会接管控制权。在 JOS 操作系统中，当发生断点异常时，会调用monitor函数进入内核监视器，这样开发者就可以查看和修改程序的状态，或者单步执行程序，以便进行调试。

然后，调试器会将int 3指令替换回原来的add eax, 1指令，以便程序可以继续执行。这就是为什么我们选择替换原有的指令，而不是插入新的指令。

总结

本文主要讲解了操作系统如何实现断点异常。首先，它解释了什么是断点异常，即当程序执行到设置了断点的位置时，处理器会触发断点异常，暂停程序的执行，并将控制权交给调试器。然后，文章通过具体的汇编代码示例，解释了如何在代码中设置断点，以及为什么选择替换原有的指令而不是插入新的指令。最后，文章解释了如何通过中断向量号来确定断点异常，并通过具体的代码示例，展示了如何处理断点异常。

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什么是断点异常？

汇编代码中的断点细节

如何确定 Trap 为段点异常？

为什么是替换指令？不是插入指令？

为什么插入会改变程序的控制流？

替换指令的细节

总结