监视点

# 监视点

监视点的功能是监视一个表达式的值何时发生变化。如果你从来没有使用过监视点，请在 GDB 中体验一下它的作用。

上面的思考题令你对监视点功能有了最基本的感受，下面我们就来实现这些功能。简易调试器允许用户同时设置多个监视点、删除监视点，因此我们最好使用链表将监视点的信息组织起来。框架代码中已经定义好了监视点的结构体（在 nemu/include/monitor/watchpoint.h 中）：

typedef struct watchpoint {
  int NO;
  struct watchpoint *next;

  /* TODO: Add more members if necessary */

} WP;

但结构体中只定义了两个成员：NO 表示监视点的序号，next 指向下一个结构体。为了实现监视点的功能，你需要根据你对监视点工作原理的理解在结构体中增加必要的成员。

同时我们使用"池"的数据结构来管理监视点结构体，框架代码中已经给出了一部分相关的代码（在 nemu/src/monitor/debug/watchpoint.c 中）：

static WP wp_pool[NR_WP];
static WP *head, *free_;

代码中定义了监视点结构的池 wp_pool，还有两个链表 head 和 free_，其中 head 用于组织使用中的监视点结构，free_ 用于组织空闲的监视点结构。init_wp_pool() 函数会对两个链表进行初始化。用一个图画来表示，大概可以表现成如下结构：

          head  NULL free_   +-----+     +-----+     +---...---+    NULL
           |     ^     |     |     |     |     |     |         |     ^
           v     |     v     |     v     |     v     |         v     |
        +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+   +-----+-----+
        |     |     |     |     |     |     |     |     |   |     |     |
wp_pool |  #  |  #  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |  *  |...|  *  |  *  |
        |     |     |     |     |     |     |     |     |   |     |     |
        +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+   +-----+-----+
       [0] | [1] ^ [2] | [3] ^ [4] | [5] ^ [6] | [7] ^         |     ^ 
           |     |     |     |     |     |     |     |         |     |
           +-----+     +-----+     +-----+     +-----+         +-----+

你可以看到，这其实是一个静态链表，其中标注 # 的元素是使用中的监视点，标注 * 的元素是没有使用的监视点。初始化状态下，应该所有元素都是未使用的，此时 head 指针指向 NULL； 当所有监视点都在使用中时，free_ 指针应该指向 NULL。

WP* new_wp();
void free_wp(WP *wp);

实现了监视点池的管理之后，我们就可以考虑如何实现监视点的相关功能了。具体的，你需要实现以下功能：

• 当用户使用 w 命令给出一个待监视表达式时，你需要通过 new_wp() 申请一个空闲的监视点结构，**并将表达式本身以及表达式的当前值（作为旧值）记录下来。**参考输出如下：

  (nemu) w $eax
  Set watchpoint #0
  expr      = $eax
  old value = 0x41a7c443
  (nemu) _
  

• 每当 cpu_exec() 执行完一条指令，就对所有待监视的表达式进行求值（你之前已经实现表达式求值的功能了），比较它们的值有没有发生变化（即新值和旧值做比较），若发生了变化，程序就因触发了监视点而暂停下来，你需要将 nemu_state 变量设置为 NEMU_STOP 来达到暂停的效果，并用变化后的值覆盖旧值（即作为新的旧值）。最后输出一句话提示用户触发了监视点，并返回到 ui_mainloop() 循环中等待用户的命令。参考输出如下：

  (nemu) si 5
  Hit watchpoint 0 at address 0x00100000
  expr      = $eax
  old value = 0x41a7c443
  new value = 0x00001234
  program paused
  (nemu) _
  

• 使用 info w 命令来打印使用中的监视点信息，至于要打印什么，你可以参考 GDB 中 info watchpoints 的运行结果。参考输出如下：

  (nemu) info w
  NO Expr         Old Value
  0  $eax         0x41a7c443
  1  $ecx == 1    0x00000000
  (nemu) _
  

• 使用 d 命令来删除监视点，你只需要释放相应的监视点结构即可。参考输出如下：

  (nemu) d 0
  Watchpoint 0 deleted
  (nemu) _
  

int set_watchpoint(char *e);    //给予一个表达式e，构造以该表达式为监视目标的监视点，并返回编号
bool delete_watchpoint(int NO); //给予一个监视点编号，从已使用的监视点中归还该监视点到池中
void list_watchpoint(void);     //显示当前在使用状态中的监视点列表
WP* scan_watchpoint(void);      //扫描所有使用中的监视点，返回触发的监视点指针，若无触发返回NULL

这里，我们仍然提供各个函数的逻辑供大家参考：

• set_watchpoint：取得一个空监视点 -> 维护空闲链表和使用中链表 -> 存入表达式和旧值；
• delete_watchpoint：遍历链表 -> 找到指定编号 -> 将废弃的监视点节点归还 -> 维护空闲链表和使用中链表；
• list_watchpoint：遍历链表；
• scan_watchpoint：遍历链表 -> 逐个监视点计算表达式新值 -> 比较新值和旧值 -> 根据情况作出处理。

# 断点

断点的功能是让程序暂停下来，从而方便查看程序某一时刻的状态。事实上，我们可以很容易地用监视点来模拟断点的功能：

w $eip == ADDR

其中 ADDR 为设置断点的地址。这样程序执行到 ADDR 的位置时就会暂停下来。

调试器设置断点的工作方式和上述通过监视点来模拟断点的方法大相径庭。事实上，断点的工作原理，竟然是三十六计之中的“偷龙转凤”！如果你想揭开这一神秘的面纱，你可以阅读这篇文章open in new window。了解断点的工作原理之后，可以尝试思考下面的两个问题。

# i386 手册

在以后的PA中, 你需要反复阅读i386手册. 鉴于有同学片面地认为"看手册"就是"把手册全看一遍", 因而觉得"不可能在短时间内看完", 我们在PA1的最后来聊聊如何科学地看手册.

# 学会使用目录

了解一本书都有哪些内容的最快方法就是查看目录, 尤其是当你第一次看一本新书的时候. 查看目录之后并不代表你知道它们具体在说什么, 但你会对这些内容有一个初步的印象, 提到某一个概念的时候, 你可以大概知道这个概念会在手册中的哪些章节出现. 这对查阅手册来说是极其重要的, 因为我们每次查阅手册的时候总是关注某一个问题, 如果每次都需要把手册从头到尾都看一遍才能确定关注的问题在哪里, 效率是十分低下的. 事实上也没有人会这么做, 阅读目录的重要性可见一斑. 纸上得来终觉浅, 还是来动手体会一下吧!

怎么样, 是不是很简单? 虽然你还是不明白selector是什么, 但你已经知道你需要阅读哪些地方了, 要弄明白selector, 那也是指日可待的事情了.

# 逐步细化搜索范围

有时候你关注的问题不一定直接能在目录里面找到, 例如"CR0寄存器的PG位的含义是什么". 这种细节的问题一般都是出现在正文中, 而不会直接出现在目录中, 因此你就不能直接通过目录来定位相应的内容了. 根据你是否第一次接触CR0, 查阅这个问题会有不同的方法:

• 如果你已经知道CR0是个control register, 你可以直接在目录里面查看"control register"所在的章节, 然后在这些章节的正文中寻找"CR0".
• 如果你对CR0一无所知, 你可以使用阅读器中的搜索功能, 搜索"CR0", 还是可以很快地找到"CR0"的相关内容. 不过最好的方法是首先使用搜索引擎, 你可以马上知道"CR0是个control register", 然后就可以像第一种方法那样查阅手册了.

不过有时候, 你会发现一个概念在手册中的多个地方都有提到. 这时你需要明确你要关心概念的哪个方面, 通常一个概念的某个方面只会在手册中的一个地方进行详细的介绍. 你需要在这多个地方中进行进一步的筛选, 但至少你已经过滤掉很多与这个概念无关的章节了. 筛选也是有策略的, 你不需要把多个地方的所有内容全部阅读一遍才能进行筛选, 小标题, 每段的第一句话, 图表的注解, 这些都可以帮助你很快地了解这一部分的内容大概在讲什么. 这不就是高中英语考试中的快速阅读吗? 对的, 就是这样. 如果你觉得目前还缺乏这方面的能力, 现在锻炼的好机会来了.

搜索和筛选信息是一个trail and error的过程, 没有什么方法能够指导你在第一遍搜索就能成功, 但还是有经验可言的. 搜索失败的时候, 你应该尝试使用不同的关键字重新搜索. 至于怎么变换关键字, 就要看你对问题核心的理解了, 换句话说, 怎么问才算是切中要害. 这不就是高中语文强调的表达能力吗? 对的, 就是这样.

事实上, 你只需要具备一些基本的交际能力, 就能学会查阅资料, 和资料的内容没有关系, 来一本"民法大全", "XX手机使用说明书", "YY公司人员管理记录", 照样是这么查阅. "查阅资料"是一种与领域无关的基本能力, 无论身处哪一个行业都需要具备, 如果你不想以后工作的时候被查阅资料的能力影响了自己的前途, 从现在开始就努力锻炼吧!

# 手册勘误

你从 i386 手册的封面就能够得知它来自于哪个年代。由于年久失修，手册中总是存在许多错误，这里我们整理了一份手册勘误，当你对手册内容抱有疑惑时，不妨先阅读手册勘误。

PA1 的最后，还有几个思考题，请你回答并写在报告中。

以上是 PA1.3 的所有内容。PA1 的所有内容也到此为止。