Windows程序调试系列: 使用VC++生成调试信息

引子
   当我们使用调试器来调试程序时,我们希望能够单步调试到源代码中,在代码中设置断点,观察变量的值(包括用户自定义的复杂类型的值)。但是可执行文件只含有原始的字节数据——机器指令和操作系统执行程序时所使用的头信息和表信息。操作系统加载并运行可执行文件后，它根据不同的需求使用不同片段的内存（栈、堆）存放数据，其中的存放的依然是原始的字节数据。那么，调试器如何知道当前CPU指令对应哪一行代码？如何知道堆栈中的地址对应哪一个函数的局部变量？答案是“调试信息”，调试信息是高级编程语言和运行程序的原始字节数据之间的桥梁。
名词解释

    位置(location): 在不同的情况有不同的含义。对于函数而言，是函数首字节的地址；对于全局和静态变量而言，是内存中变量的首字节；对局部变量和函数参数而言，通常是该变量的首字节相对于函数堆栈的预先定义的基址的偏移。另外，其他类型的位置也可能出现，如：寄存器、TLS slot(参见：http://www.blogcn.com/u2/38/94/silannyukun/blog/37069531.html)、元数据标记（metadata token, 参见http://naoku.net/blogs/framesniper/archive/2005/04/12/1910.aspx）。
   FPO (frame pointer omission): 帧指针省略，FPO用来链接CodeView或PDB符号。它在编译器没有用EBP寄存器生成标准堆栈桢(a standard stack frame) 的地方帮助调试器查找函数的参数和本地变量。
调试信息的类型

    我们只讨论在Intel X86平台上的现有的由微软提供的调试器。
信息的类型 
描述

公共函数和变量 
用于描述在多个的编译单元（源代码文件）中可见的函数和变量，调试信息保存每个函数和变量的位置(location)和名称。

私有函数和变量 
用于描述除公共函数和变量以外的所有函数和变量，包括静态函数、静态和局部变量、函数参数），调试信息保存每个函数和变量的位置、大小和名称。

源文件和代码行信息 
用于将每一行代码映射到可执行文件的某个位置上。当然，某些代码行不能做映射，如注释行，这样的代码行在调试信息中不做体现。

类型信息 
用于存储每一个函数和变量的类型信息。对于变量或函数参数，类型信息能够告诉调试器它是整型还是字符串类型，或是用户自定义的类型。对于函数，类型信息记载了参数的个数、调用转换和返回值的类型。

FPO信息 
对于做了FPO优化的函数，调试信息保存了一些数据来帮助调试器确定函数堆栈帧的大小，甚至在帧指针无效时也能工作。 如果没有FPO信息，调试器无法正确显示被优化的程序的调用堆栈。

编辑和继续执行信息 
用于帮助Visual Studio IDE在调试时实现编辑和继续执行的功能

调试信息格式

    现在来探索调试信息是如何存储的。在过去的十年中，微软开发工具使用了几种不同的格式来包装调试信息。这里我们讨论COFF、CodeView和应用的最广泛的PDB（Program Database）格式。在讨论每种格式时，我们从下列几个特性着手：
哪些类型的调试信息可以通过该格式保存?
调试信息究竟保存在哪里(在可执行文件中，还是单独的一个文件)?
该格式是否有文档说明?
COFF

    COFF是这里要涉及的所有格式中最古老的一种，它只能保存三种调试信息: 公共函数和变量，源文件和代码行信息，FPO信息。COFF总是保存在可执行文件中，不能够单独保存在其他文件中。该格式的文档说明参见：微软可移植可执行和通用对象文件格式规范.   
CodeView

    CodeView是较COFF更新的而且更复杂的一种格式，它可以存储除编辑和继续执行信息外的所有类型的调试信息。CodeView通常保存在可执行文件中，它也可从可执行文件中导出到一个单独的文件（.DGB文件）。CodeView文档不全，其文档可以在MSDN中的VC++5.0符号调试信息规范(Symbolic Debug Information Specification)中找到。
Program Database 程序数据库

    这是三种中最新的一种调试信息格式，可以存储所有类型的调试信息（包括编辑和继续执行信息），也支持增量编译（其余两种格式不支持）。程序数据库信息保存在一个单独的.PDB文件中。遗憾的是，微软没有提供程序数据库格式的文档，只提供特殊的编程接口DbgHelp 和DIA来访问它。目前，程序数据库格式有两个版本，第一版(PDB2.0)为VC6.0所用，第二版(PDB 7.0)被Visual Studio.NET采用。PDB 7.0不能向上兼容，也就是说：VC6.0不能读取PDB 7.0格式。

三种格式对比如下:
格式 
是否有文档 
存储 
公共函数和变量 
私有函数和变量 
源文件和代码行信息 
类型信息 
FPO 信息 
编辑和继续执行信息

COFF 
有 
可执行文件中 
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CodeView 
部分 
可执行文件中

或.DBG文件中 
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+ 
+ 
-

Program Database 
无 
.PDB文件中 
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+ 
+ 
+