基于Eclipse的開發(fā)環(huán)境中調(diào)試器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：調(diào)試功能是軟件集成開發(fā)環(huán)境中最重要也是最復(fù)雜的功能之一，調(diào)試功能的完善與否很大程度上決定了一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境的優(yōu)劣。作為一個(gè)大型軟件集成開發(fā)環(huán)境的一部分，為了實(shí)現(xiàn)其調(diào)試功能，這里通過簡要分析Eclipse CDT的調(diào)試機(jī)制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于基于Eclipse CDT的嵌入式開發(fā)環(huán)境的調(diào)試器，其中實(shí)現(xiàn)了一系列調(diào)試功能如斷點(diǎn)設(shè)置、單步執(zhí)行、源代碼搜索以及變量、內(nèi)存和寄存器查看等，為整個(gè)集成開發(fā)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：Eclipse；CDT集成開發(fā)環(huán)境；調(diào)試功能；調(diào)試器

O 引 言
    在軟件開發(fā)過程中，程序出現(xiàn)錯(cuò)誤在所難免。無論是普通軟件還是嵌入式軟件，調(diào)試器都是開發(fā)過程中不可缺少的工具。
    “調(diào)試器”是用于跟蹤程序執(zhí)行情況，快速有效地定位錯(cuò)誤產(chǎn)生的位置，從而找到引起錯(cuò)誤的原因，并將其消除的工具。調(diào)試功能是開發(fā)環(huán)境中最重要、也是最復(fù)雜的功能之一，其好壞在很大程度上決定了一個(gè)開發(fā)環(huán)境的優(yōu)劣。調(diào)試是一個(gè)從錯(cuò)誤現(xiàn)象出發(fā)，通過某種手段尋找錯(cuò)誤代碼的過程。調(diào)試的基本原理是在發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行的錯(cuò)誤后，設(shè)法再現(xiàn)程序的執(zhí)行過程，并獲取程序執(zhí)行中的有關(guān)信息，通過對(duì)這些信息的分析，逐步找到引起錯(cuò)誤的原因。循環(huán)調(diào)試是最基本的調(diào)試模型；循環(huán)調(diào)試的意思是反復(fù)運(yùn)行程序，利用打印輸出、斷點(diǎn)、單步等技術(shù)，觀察程序狀態(tài)，控制程序運(yùn)行，逐漸逼近錯(cuò)誤代碼；循環(huán)調(diào)試的前提是程序運(yùn)行是確定的，即對(duì)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(diào)試的基本行為有觀察、控制與修改。觀察是對(duì)程序的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行察看，包括處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)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(shè)斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等；修改就是改變程序的運(yùn)行狀態(tài)，如修改變量的值、修改指令計(jì)數(shù)器、修改狀態(tài)寄存器等。調(diào)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(diào)試手段有斷點(diǎn)(Break Pointing)、跟蹤(Tracing)、斷言(Assertion)、分析(Analysis)、打印輸出等。在源程序級(jí)支持圖形化的用戶界面使得調(diào)試工作更加容易進(jìn)行。對(duì)于實(shí)時(shí)程序或?qū)Ｓ脵C(jī)上的程序還常采用模擬手段進(jìn)行調(diào)試。

1 CDT的調(diào)試機(jī)制解析
    CDT提供了4個(gè)插件用于實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能。這幾個(gè)插件對(duì)于GDB調(diào)試器進(jìn)行操作，并且應(yīng)用GDB提供的MI接口進(jìn)行通信。這四個(gè)插件分別為org．eclipse．cdt.debug．mi.cote插件，用以實(shí)現(xiàn)GDB的MI接口功能及GDB調(diào)用功能；org.eclipse.cdt.debug.mi.ui插件，主要用于實(shí)現(xiàn)GDB的相關(guān)設(shè)置選項(xiàng)界面；org．eclipse.cdt.debug.core插件，用于實(shí)現(xiàn)CDT的調(diào)試模型，包括用串口調(diào)試，用網(wǎng)卡調(diào)試，設(shè)置波特率等功能；org.eclipse.cdt.debug.ui插件，用于實(shí)現(xiàn)界面顯示功能，包括調(diào)試視圖，調(diào)試動(dòng)作等，比如單步調(diào)試，設(shè)置斷點(diǎn)，下載，運(yùn)行程序等調(diào)試功能。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

    標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試模型并不能代表所有的體系結(jié)構(gòu)，像嵌入式硬件結(jié)構(gòu)是不同的，有可能是多個(gè)處理器的不同應(yīng)用，也可能包括DSP處理器的應(yīng)用。CDT平臺(tái)支持將非標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試器集成到平臺(tái)的視圖和動(dòng)作中。調(diào)試器圍繞著活動(dòng)調(diào)試上下文進(jìn)行操作，活動(dòng)調(diào)試上下文是在調(diào)試視圖中選擇的一幀或者一個(gè)線程，這個(gè)上下文驅(qū)動(dòng)了源代碼搜索，變量和寄存器顯示，以及動(dòng)作使能等操作。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

2 調(diào)試器的詳細(xì)設(shè)計(jì)
2．1 斷點(diǎn)設(shè)置
    調(diào)試器提供的斷點(diǎn)依賴于調(diào)試系統(tǒng)所具有的能力，以及應(yīng)用這些能力可以構(gòu)建的集合功能。例如，用行斷點(diǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行到行，實(shí)現(xiàn)條件斷點(diǎn)等。
    斷點(diǎn)屬性保存在標(biāo)記中，平臺(tái)提供接口IMarker，作為文件中的一般目的標(biāo)記。標(biāo)記是原始數(shù)據(jù)類型鍵值對(duì)的存儲(chǔ)。平臺(tái)提供接口IBreakpoint實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)行為。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的斷點(diǎn)行為，調(diào)試器需要提供IBreakpoint的實(shí)現(xiàn)。所有的斷點(diǎn)都有一個(gè)相關(guān)的標(biāo)記保存屬性和在編輯器中顯示，提供和斷點(diǎn)類型相關(guān)的標(biāo)記擴(kuò)展點(diǎn)。如果需要斷點(diǎn)被保存，需要指定persistent為true。其內(nèi)容如下：

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    斷點(diǎn)管理器(IBreakpoint Manager)是在工作空間中的斷點(diǎn)集合。當(dāng)斷點(diǎn)創(chuàng)建時(shí)，會(huì)在管理器中注冊。當(dāng)斷點(diǎn)被刪除，它也會(huì)在管理器中移除，當(dāng)斷點(diǎn)添加，移除，以及斷點(diǎn)屬性改變時(shí)，提供更改通知。客戶端需要實(shí)現(xiàn)IBreakpointsListener以及在斷點(diǎn)管理器中注冊。例如：調(diào)試目標(biāo)偵聽更改通知，因此當(dāng)它們改變時(shí)，可以安裝、移除、更新斷點(diǎn)信息。客戶端也需要實(shí)現(xiàn)IBreak-pointManaagerListener，以便實(shí)現(xiàn)當(dāng)斷點(diǎn)管理器被使能或禁止時(shí)的通知偵聽，也可以允許所有的斷點(diǎn)被暫時(shí)禁止，而不用改變單個(gè)斷點(diǎn)的狀態(tài)。
    當(dāng)建立了調(diào)試目標(biāo)之后，應(yīng)該搜索斷點(diǎn)管理器，查找存在的斷點(diǎn)，并安裝這些斷點(diǎn)。調(diào)試目標(biāo)應(yīng)該在其生命周期中偵聽斷點(diǎn)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(diǎn)和觀察點(diǎn)的位置。編輯器在豎直條中顯示標(biāo)記，當(dāng)標(biāo)記改變時(shí)更新。繼承AbstractDecoratedTextEditor的編輯器會(huì)有一個(gè)豎直標(biāo)記條，用于顯示和正在編輯的文件有關(guān)的標(biāo)記。在豎直標(biāo)記條中雙擊，可能會(huì)產(chǎn)生多于一種的操作，可以設(shè)置行斷點(diǎn)或者設(shè)置觀察點(diǎn)。在編輯器豎直標(biāo)記條中添加雙擊動(dòng)作，可以應(yīng)用工作臺(tái)擴(kuò)展點(diǎn)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(kuò)展點(diǎn)editorActions予以添加。斷點(diǎn)的模型如圖3所示。

2．2 命令處理
    命令處理包括單步進(jìn)入、單步跳過、返回、懸掛、恢復(fù)、下載、運(yùn)行、繼續(xù)運(yùn)行、終止等。平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)模式的命令處理的實(shí)現(xiàn)。
    所有的命令處理需要實(shí)現(xiàn)接口IDeblugCom-mandHandler，并且實(shí)現(xiàn)如下函數(shù)：
    canExecute(IEnabledStateRequest request)
    execute(IDebugCommandRequest request)
    標(biāo)準(zhǔn)模式可以重載平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，定制模式需要自己提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)，包括提供作為適配器的處理類，可以直接實(shí)現(xiàn)處理接口。
    平臺(tái)所定義的處理者進(jìn)程為如下幾個(gè)：
    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(gè)IRequest對(duì)象，實(shí)現(xiàn)接收狀態(tài)，允許取消，當(dāng)請(qǐng)求結(jié)束時(shí)通知等功能。
    命令執(zhí)行的過程如圖4所示。

    平臺(tái)提供的命令處理應(yīng)用JOB來實(shí)現(xiàn)異步交互。命令處理為每一個(gè)請(qǐng)求和返回維護(hù)一個(gè)JOB的進(jìn)度表，并且JOB是異步運(yùn)行的。
2．3 視圖內(nèi)容
    利用平臺(tái)提供的tree視圖的實(shí)現(xiàn)變量、寄存器的查看，并用內(nèi)容提供者和標(biāo)簽提供者來支持定制異步內(nèi)容。這個(gè)tree視圖的實(shí)現(xiàn)基于JFace的tree視圖，并實(shí)現(xiàn)了接口ILazyTreePathContentProvider。這個(gè)視圖不能被繼承，但是可以被初始化。
    一些調(diào)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(diào)試模型提供要顯示的列，以及元編輯器對(duì)某一個(gè)值進(jìn)行編輯，還為每一個(gè)列提供標(biāo)簽。視圖、列、元編輯器之間的關(guān)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(biāo)識(shí)。允許提供多個(gè)列，在初始化時(shí)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(gè)元素和列提供元編輯器，應(yīng)用JFace的CellEditor進(jìn)行編輯，提供了對(duì)文本選擇框、組合框的標(biāo)準(zhǔn)編輯。為每一個(gè)元素提供元修改器，決定哪一個(gè)列可以被修改，在修改之后更新相應(yīng)的值，可以用實(shí)現(xiàn)接口IcellModifier來達(dá)到目標(biāo)。
2．4 內(nèi)存視圖
    內(nèi)存視圖顯示一段內(nèi)存中的內(nèi)容。內(nèi)存顯示由內(nèi)存塊、內(nèi)存塊內(nèi)容重新獲取、內(nèi)存塊管理器、內(nèi)存塊描述類型、內(nèi)存塊描述、內(nèi)存塊描述綁定、內(nèi)存塊描述管理器等幾部分組成。
    讀取并顯示內(nèi)存塊的過程如下：用戶啟動(dòng)內(nèi)存查看命令，從當(dāng)前調(diào)試上下文中，平臺(tái)獲取適配器IMetm-ryBlockRetrieval，平臺(tái)為內(nèi)存塊請(qǐng)求內(nèi)存塊描述適配器，內(nèi)存塊添加到內(nèi)存塊管理器中，平臺(tái)查找內(nèi)存描述類型列表，找到和內(nèi)存塊符合的內(nèi)存描述，然后創(chuàng)建它，將內(nèi)存描述添加到內(nèi)存視圖中。
    用擴(kuò)展點(diǎn)<memoryRenderings>來擴(kuò)展內(nèi)存描述類型。描述類型包含描述名字，描述惟一的標(biāo)識(shí)符這兩個(gè)信息。實(shí)現(xiàn)接口IMemoryRenderingTypeDelegate中的函數(shù)為：

    需要在描述之間提供同步機(jī)制來使得用戶不用手工進(jìn)行同步。在此提供同步服務(wù)器，以解決當(dāng)前顯示描述之間的同步問題。當(dāng)某一個(gè)描述內(nèi)容改變后，會(huì)發(fā)送一個(gè)描述改變的事件，同步服務(wù)器接收到這個(gè)事件，同步服務(wù)器通知對(duì)這個(gè)事件感興趣的描述，然后其他描述接收這個(gè)事件并進(jìn)行響應(yīng)，其過程如圖6所示。

    內(nèi)存描述綁定定義可以應(yīng)用于某種類型中內(nèi)存塊的內(nèi)存描述?？梢杂脭U(kuò)展點(diǎn)memoryRenderings進(jìn)行創(chuàng)建。其內(nèi)容如下：

    最終的內(nèi)存視圖如圖7所示。

3 結(jié) 語
    作為大型項(xiàng)目的一個(gè)部分，在分析CDT調(diào)試機(jī)制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)適用于嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境的調(diào)試器，具備斷點(diǎn)設(shè)置、單步執(zhí)行、源代碼搜索以及變量、內(nèi)存和寄存器查看等常用調(diào)試功能。