Средства отладки и взлома программ

• Анализ на целевой стороне.

Некоторые данные требуют анализа  на целевой стороне. Например, контроль работы задач с динамически выделенной памятью. В этом случае при обращению к адресу в памяти происходит проверка на принадлежность его к какому-либо блоку и возможность доступа. Чтобы избежать проблем с динамическим выделением памяти и ускорить доступ к ней, StethoScope предоставляет возможность создания пула из некоторого числа буферов одинакового размера. Тогда, используя соответствующие функции доступа к этому пулу, можно осуществлять быстрый захват и освобождение его буферов.

• Распределенный анализ.

При передаче данных на инструментальную сторону отладчик может производить их предварительный анализ - фильтрацию. Фильтрация представляет собой отбор данных в соответствии с некоторым заданным шаблоном (фильтром). Например, можно рассматривать события только некоторых определенных типов (переключение контекста, запуск задачи, и.т.д) или сравнивать полученные данные с некоторой маской значений. Фильтрация данных нужна, чтобы уменьшить вмешательство в работу целевой системы, то есть можно разбить отладку на несколько уровней: от минимального (исследование событий одного вида, например, переключение контекстов) до максимального (получение подробной информации о каждом событии в системе и данных о выполняемых задачах). В WindView представлены 3 уровня отладки:

1. протоколирование переключения контекстов
2. протоколирование состояний задач
3. протоколирование статусов системных объектов.

3) Профилирование системы 

Под профилированием понимается один из способов мониторинга, позволяющий  следить за выполнением некоторого множества задач (или всей системы) и предоставляющий пользователю информацию о том, как конкретная задача использует процессор (включая распределение времени в задаче).

Профилирование заключается в  том, что с некоторой частотой производятся выборки данных об активных в этот промежуток времени задачах. При детальном профилировании собираются данные о каждой функции (количество ее вызовов, время выполнения). Приведем описание модуля ScopeProfile, входящего в StethoScope и представляющего собой типичный образец агента профилирования.

Сбор данных запускается либо специальной  высокоприоритетной задачей, либо посредством ISR (Interrupt Service Routine). Существует два уровня профилирования: профилирование задачи способом "процедура за процедурой" (procedure-by-procedure) и профилирование системы способом "задача за задачей" (task-by-task). Основные параметры профилирования: частота выборки (sample rate) - частота, с которой производится сбор данных; частота анализа (analysis rate) - частота, с которой производится анализ имеющихся в буфере выборок. Анализирующая процедура представляет собой низкоприоритетную задачу, которая подсчитывает среднее из значений для задач и функций из всех выборок буфера и значений, полученных в ходе предыдущего анализа.

Цель профилирования задачи - выявить наиболее часто исполняемые блоки для последующей их оптимизации. Для этого служит способ "процедура за процедурой", позволяющий получать информацию о каждой вызываемой в процессе профилирования функции. Эта информация состоит из среднего времени, которое функция выполнялась, с учетом и без учета времени вызова из нее других функций. Также подсчитывается число ее вызовов. В результате анализа стека строится так называемое дерево выполнения (execution tree), показывающее маршрут вызова каждой функции.

Способ "задача за задачей" служит для сбора информации об активности системы в целом, а именно, какое  процессорное время использует каждая задача.

4) "Посмертный" (post-mortem) анализ 

Подобный анализ производится в  том случае, если в работе системы произошел сбой. Тогда пользователя интересуют не все события, а только те, которые произошли за некоторое время до "обвала" системы. В этом случае, чтобы влияние отладчика на систему было сведено к минимуму, все данные сохраняются в некотором буфере и обновляются по мере его заполнения, но не пересылаются на инструментальную сторону. Адрес для буфера надо выбирать так, чтобы при перезагрузке системы его содержимое не уничтожалось. В VxWorks это можно реализовать следующим образом: надо изменить функцию sysMemTop(), определяющую верхний адрес локальной памяти, так, чтобы она возвращала значение, меньшее действительного адреса. Тогда в образовавшемся адресном пространстве, недоступном системе, можно расположить буфер данных. В результате после перезагрузки в распоряжение отладчика поступают данные о последних событиях, произошедших в системе и, возможно, повлекших ее сбой.

3.3. Пользовательский интерфейс

При анализе данных или профилировании важную роль играет представление полученной информации. Как и в случае активной отладки пользовательский интерфейс делится на три составляющих: графический интерфейс, режим командной строки и команды представления данных.

Графическое представление данных - наиболее важная часть пользовательского  интерфейса при мониторинге. Поскольку, как правило, анализируется взаимодействие задач в системе, то нужна визуализация всех событий и задач системы. В WindView для этого служит специальное окно View Graph. По горизонтали откладывается время (единичный интервал времени может меняться), по вертикали приведен список всех задач в системе и уровни прерываний. В такой системе координат легко увидеть, какая задача в какой момент времени в каком состоянии находилась. Особыми значками отмечаются происходящие события, подробности о которых (также как и о задачах) можно увидеть в другом окне.

При мониторинге текущего состояния  системы удобно пользоваться графическим  интерфейсом, но при анализе сохраненных  ранее данных, а также при "посмертной" отладке, можно использовать режим  командной строки. Требования к нему предъявляются аналогичные тем, что были у средств активной отладки.

Помимо описанных в предыдущей главе команд представления данных у активных отладчиков средства мониторинга  могут располагать также такими командами:

• исполнение некоторой последовательности действий при произошедшем событии, поступившем сигнале или наступлении определенного момента времени;
• определение пользователем собственных событий (eventpoints в WindView) и сигналов (комбинации известных сигналов "derived signals" в StethoScope).

3.4. Интеграция со средствами  разработки ПО

При мониторинге особое внимание уделяется  работе псевдоагентов, которые закладываются  в код программы на этапе компиляции. Для их успешной работы по сбору  необходимой информации требуется  наличие на целевой машине ряда функций, вызываемых псевдо-агентами. Эти функции могут быть собраны в одну библиотеку, так называемую библиотеку доступа (access library).

В [20] описывается средство работы с псевдо-агентами - "Alamo monitor". На Рис.5 приведена его архитектура.

 
Рис. 5. Alamo monitor

Координатор мониторинга посылает запросы псевдо-агенту и производит фильтрацию полученной информации.

 
Рис. 6. Получение информации от псевдо-агента

В зависимости от возможностей, предоставляемых  библиотекой доступа, изменяется и роль псевдо-агентов. Возможна ситуация, когда на целевой стороне присутствует только агент доставки данных из буфера, а все данные поставляются псевдо-агентами. Такой подход уменьшает воздействие отладчика на систему, так как все отладочные действия заложены при компиляции, и агент отладки только передает данные менеджеру по мере заполнения буфера, то есть не влияет на ход выполнения отлаживаемых задач.

Имеется и другое применение псевдо-агентов. При помощи встраивания в код  программы некоторого некорректно работающего блока, можно моделировать критические ситуации и анализировать поведение задачи или всей системы в таких ситуациях.

4. Особенности отладки многоплатформных  распределенных систем

4.1. Особенности архитектуры

Если раньше система реального времени рассматривалась нами как один процесс (с точки зрения ресурсов), то распределенные СРВ представляют уже набор взаимодействующих процессов.

Специфика заключается в том, что  отлаживаемое приложение может быть распределено на нескольких платформах с разными процессорами, поэтому эффективность отладчика зависит от:

• наличия на каждом компоненте системы агента отладки;
• способности менеджера работать со всеми процессорами системы;
• возможности агентов отладки осуществлять связь между собой и с менеджером.

Кроме того, если система состоит  из большого числа компонент, использование  двухуровневой архитектуры "менеджер-агент" становится неэффективным, поскольку  менеджер не сможет обработать в надлежащее время информацию от агентов. В этом случае целесообразно использовать многоуровневую структуру, в которой компоненты, объединенные по своим функциональным возможностям, представляют некоторые подсистемы, которыми управляют соответствующие менеджеры, являющиеся агентами на следующем уровне предложенной иерархии.

При включении в систему новой  платформы необходимо, чтобы менеджер имел возможность осуществлять связь  с агентом. Для этого к набору исходных текстов менеджера добавляется  файл, содержащий функции взаимодействия с агентом. Здесь возможны следующие варианты:

• Файл описания платформы требует компиляции и сборки вместе с остальными исходными текстами.

Существенный недостаток такого подхода  в том, что менеджер или какую-либо его часть придется пересобирать.

• Файл описания интерпретируется внутренними средствами менеджера.

В [17] описан отладчик Panorama, платформо-зависимые  черты, которого вынесены в отдельные  файлы: файл описания платформы (агента) и tcl-скрипт, в котором описаны  необходимые функции. Таким образом, имея встроенный tcl-интерпретатор, Panorama способен работать с новой платформой без пересборки менеджера. Архитектура этого отладчика приведена на рис.7.

 
Рис. 7. Отладчик Panorama

В случае, если один агент обслуживает  несколько менеджеров, целесообразно  организовать промежуточное звено, в которое вынести все платформо-зависимые черты менеджеров. Такой подход реализован в среде разработки ПО реального времени TORNADO (система VxWorks). Он заключается в том, что на целевой стороне имеется универсальный агент (target agent), осуществляющий связь со средствами разработки ПО посредством целевого сервера (target server). В этом случае, во-первых, все клиенты работают с одним сервером (и, соответственно, с одним агентом) и, во-вторых, они имеют возможность обмениваться данными между собой, используя целевой сервер.

4.2. Некоторые подходы к отладке  распределенных приложений

При отладке распределенного приложения в целом нужно представлять общее  его состояние, которое включает структуры данных, распределенные по нескольким платформам. Кроме того, необходимо иметь протокол взаимодействия задач в системе.

<p class="dash041e_0431_