基于Eclipse的開發(fā)環(huán)境中調試器設計與實現(xiàn)

摘 要：調試功能是軟件集成開發(fā)環(huán)境中最重要也是最復雜的功能之一，調試功能的完善與否很大程度上決定了一個集成開發(fā)環(huán)境的優(yōu)劣。作為一個大型軟件集成開發(fā)環(huán)境的一部分，為了實現(xiàn)其調試功能，這里通過簡要分析Eclipse CDT的調試機制，設計并實現(xiàn)了一個應用于基于Eclipse CDT的嵌入式開發(fā)環(huán)境的調試器，其中實現(xiàn)了一系列調試功能如斷點設置、單步執(zhí)行、源代碼搜索以及變量、內存和寄存器查看等，為整個集成開發(fā)環(huán)境的實現(xiàn)打下了基礎。
關鍵詞：Eclipse；CDT集成開發(fā)環(huán)境；調試功能；調試器

O 引 言
    在軟件開發(fā)過程中，程序出現(xiàn)錯誤在所難免。無論是普通軟件還是嵌入式軟件，調試器都是開發(fā)過程中不可缺少的工具。
    “調試器”是用于跟蹤程序執(zhí)行情況，快速有效地定位錯誤產(chǎn)生的位置，從而找到引起錯誤的原因，并將其消除的工具。調試功能是開發(fā)環(huán)境中最重要、也是最復雜的功能之一，其好壞在很大程度上決定了一個開發(fā)環(huán)境的優(yōu)劣。調試是一個從錯誤現(xiàn)象出發(fā)，通過某種手段尋找錯誤代碼的過程。調試的基本原理是在發(fā)現(xiàn)程序運行的錯誤后，設法再現(xiàn)程序的執(zhí)行過程，并獲取程序執(zhí)行中的有關信息，通過對這些信息的分析，逐步找到引起錯誤的原因。循環(huán)調試是最基本的調試模型；循環(huán)調試的意思是反復運行程序，利用打印輸出、斷點、單步等技術，觀察程序狀態(tài)，控制程序運行，逐漸逼近錯誤代碼；循環(huán)調試的前提是程序運行是確定的，即對同樣的輸入，程序的執(zhí)行過程是相同的。串行程序具有確定性。
    調試的基本行為有觀察、控制與修改。觀察是對程序的執(zhí)行狀態(tài)進行察看，包括處理機狀態(tài)、進程狀態(tài)和數(shù)據(jù)狀態(tài)等；控制即控制程序的執(zhí)行過程，例如設斷點、單步執(zhí)行等；修改就是改變程序的運行狀態(tài)，如修改變量的值、修改指令計數(shù)器、修改狀態(tài)寄存器等。調試器在不同程度上支持這3種行為的綜合使用。
    經(jīng)典的調試手段有斷點(Break Pointing)、跟蹤(Tracing)、斷言(Assertion)、分析(Analysis)、打印輸出等。在源程序級支持圖形化的用戶界面使得調試工作更加容易進行。對于實時程序或專用機上的程序還常采用模擬手段進行調試。

1 CDT的調試機制解析
    CDT提供了4個插件用于實現(xiàn)調試功能。這幾個插件對于GDB調試器進行操作，并且應用GDB提供的MI接口進行通信。這四個插件分別為org．eclipse．cdt.debug．mi.cote插件，用以實現(xiàn)GDB的MI接口功能及GDB調用功能；org.eclipse.cdt.debug.mi.ui插件，主要用于實現(xiàn)GDB的相關設置選項界面；org．eclipse.cdt.debug.core插件，用于實現(xiàn)CDT的調試模型，包括用串口調試，用網(wǎng)卡調試，設置波特率等功能；org.eclipse.cdt.debug.ui插件，用于實現(xiàn)界面顯示功能，包括調試視圖，調試動作等，比如單步調試，設置斷點，下載，運行程序等調試功能。它們之間的關系如圖1所示。

    標準的調試模型并不能代表所有的體系結構，像嵌入式硬件結構是不同的，有可能是多個處理器的不同應用，也可能包括DSP處理器的應用。CDT平臺支持將非標準的調試器集成到平臺的視圖和動作中。調試器圍繞著活動調試上下文進行操作，活動調試上下文是在調試視圖中選擇的一幀或者一個線程，這個上下文驅動了源代碼搜索，變量和寄存器顯示，以及動作使能等操作。它們之間的關系如圖2所示。

2 調試器的詳細設計
2．1 斷點設置
    調試器提供的斷點依賴于調試系統(tǒng)所具有的能力，以及應用這些能力可以構建的集合功能。例如，用行斷點實現(xiàn)運行到行，實現(xiàn)條件斷點等。
    斷點屬性保存在標記中，平臺提供接口IMarker，作為文件中的一般目的標記。標記是原始數(shù)據(jù)類型鍵值對的存儲。平臺提供接口IBreakpoint實現(xiàn)斷點行為。為了實現(xiàn)復雜的斷點行為，調試器需要提供IBreakpoint的實現(xiàn)。所有的斷點都有一個相關的標記保存屬性和在編輯器中顯示，提供和斷點類型相關的標記擴展點。如果需要斷點被保存，需要指定persistent為true。其內容如下：

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    斷點管理器(IBreakpoint Manager)是在工作空間中的斷點集合。當斷點創(chuàng)建時，會在管理器中注冊。當斷點被刪除，它也會在管理器中移除，當斷點添加，移除，以及斷點屬性改變時，提供更改通知?？蛻舳诵枰獙崿F(xiàn)IBreakpointsListener以及在斷點管理器中注冊。例如：調試目標偵聽更改通知，因此當它們改變時，可以安裝、移除、更新斷點信息。客戶端也需要實現(xiàn)IBreak-pointManaagerListener，以便實現(xiàn)當斷點管理器被使能或禁止時的通知偵聽，也可以允許所有的斷點被暫時禁止，而不用改變單個斷點的狀態(tài)。
    當建立了調試目標之后，應該搜索斷點管理器，查找存在的斷點，并安裝這些斷點。調試目標應該在其生命周期中偵聽斷點的添加、移除、改變等信息，并且能夠更新這些信息。
    在編輯器中顯示了斷點和觀察點的位置。編輯器在豎直條中顯示標記，當標記改變時更新。繼承AbstractDecoratedTextEditor的編輯器會有一個豎直標記條，用于顯示和正在編輯的文件有關的標記。在豎直標記條中雙擊，可能會產(chǎn)生多于一種的操作，可以設置行斷點或者設置觀察點。在編輯器豎直標記條中添加雙擊動作，可以應用工作臺擴展點來添加編輯器操作。參考AbstractRulerActionDelegate給期望的工作添加操作，可通過擴展點editorActions予以添加。斷點的模型如圖3所示。

2．2 命令處理
    命令處理包括單步進入、單步跳過、返回、懸掛、恢復、下載、運行、繼續(xù)運行、終止等。平臺提供標準模式的命令處理的實現(xiàn)。
    所有的命令處理需要實現(xiàn)接口IDeblugCom-mandHandler，并且實現(xiàn)如下函數(shù)：
    canExecute(IEnabledStateRequest request)
    execute(IDebugCommandRequest request)
    標準模式可以重載平臺的實現(xiàn)，定制模式需要自己提供一個實現(xiàn)，包括提供作為適配器的處理類，可以直接實現(xiàn)處理接口。
    平臺所定義的處理者進程為如下幾個：
    IDisconnectHandler
    IDroDToFrameHandler
    IResumeHandler
    IStepFiltersHandler
    IStepIntoHandler
    IStepOvetHandler
    IStepReturnHandler
    ISuspendHandler
    ITerminateHandler
    處理者和命令處理之間的交互是異步的。需要先更新使能狀態(tài)，然后開始執(zhí)行。傳遞到命令處理的是一個IRequest對象，實現(xiàn)接收狀態(tài)，允許取消，當請求結束時通知等功能。
    命令執(zhí)行的過程如圖4所示。

    平臺提供的命令處理應用JOB來實現(xiàn)異步交互。命令處理為每一個請求和返回維護一個JOB的進度表，并且JOB是異步運行的。
2．3 視圖內容
    利用平臺提供的tree視圖的實現(xiàn)變量、寄存器的查看，并用內容提供者和標簽提供者來支持定制異步內容。這個tree視圖的實現(xiàn)基于JFace的tree視圖，并實現(xiàn)了接口ILazyTreePathContentProvider。這個視圖不能被繼承，但是可以被初始化。
    一些調試視圖定義了很多列。像變量視圖，寄存器視圖，都分別有名字列，值列等。調試模型提供要顯示的列，以及元編輯器對某一個值進行編輯，還為每一個列提供標簽。視圖、列、元編輯器之間的關系如圖5所示。列表述定義了要顯示的列，包括列頭、列圖像、列標識。允許提供多個列，在初始化時顯示其中的幾列，用戶可以選擇顯示哪些列。

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    元編輯器允許用戶在線編輯。為每一個元素和列提供元編輯器，應用JFace的CellEditor進行編輯，提供了對文本選擇框、組合框的標準編輯。為每一個元素提供元修改器，決定哪一個列可以被修改，在修改之后更新相應的值，可以用實現(xiàn)接口IcellModifier來達到目標。
2．4 內存視圖
    內存視圖顯示一段內存中的內容。內存顯示由內存塊、內存塊內容重新獲取、內存塊管理器、內存塊描述類型、內存塊描述、內存塊描述綁定、內存塊描述管理器等幾部分組成。
    讀取并顯示內存塊的過程如下：用戶啟動內存查看命令，從當前調試上下文中，平臺獲取適配器IMetm-ryBlockRetrieval，平臺為內存塊請求內存塊描述適配器，內存塊添加到內存塊管理器中，平臺查找內存描述類型列表，找到和內存塊符合的內存描述，然后創(chuàng)建它，將內存描述添加到內存視圖中。
    用擴展點<memoryRenderings>來擴展內存描述類型。描述類型包含描述名字，描述惟一的標識符這兩個信息。實現(xiàn)接口IMemoryRenderingTypeDelegate中的函數(shù)為：

    需要在描述之間提供同步機制來使得用戶不用手工進行同步。在此提供同步服務器，以解決當前顯示描述之間的同步問題。當某一個描述內容改變后，會發(fā)送一個描述改變的事件，同步服務器接收到這個事件，同步服務器通知對這個事件感興趣的描述，然后其他描述接收這個事件并進行響應，其過程如圖6所示。

    內存描述綁定定義可以應用于某種類型中內存塊的內存描述?？梢杂脭U展點memoryRenderings進行創(chuàng)建。其內容如下：

    最終的內存視圖如圖7所示。

3 結 語
    作為大型項目的一個部分，在分析CDT調試機制的基礎上，設計并實現(xiàn)一個適用于嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境的調試器，具備斷點設置、單步執(zhí)行、源代碼搜索以及變量、內存和寄存器查看等常用調試功能。