CLR 调试接口的架构与应用 [2] 调试框架
类别: ASP.NET教程 
如 Don Box 在《.NET本质论 第1卷：公共语言运行库》一书的第10章中介绍， CLR 调试框架是一个由 CLR 提供的，面向工具开发商的，支持调试功能的最小功能集。与 JVM 的 JDI (Java Debug Interface)不同，CLR 调试框架不仅仅关注于虚拟机一级的调试，同时也提供了 Native 一级调试的统一接口。使得现有工具开发商能够以最小代价移植并支持 CLR 调试功能。而对 CLR 调试更高层次或更细粒度的支持，则是由前面提到的 Profiling API 完成。
CLR 调试接口主要通过 mscordbi.dll 提供的 ICorDebug 接口，让调试器通过进程内或进程外方式，对被调试 CLR 进行监控。而 ICorDebug 接口可以通过 .NET Framework SDK 中 includecordebug.idl 或 includecordebug.h 直接使用。对 C#/Delphi 也可以直接 reference/import 在 SDK 的 lib 目录下的 cordebug.tlb 类型库，获得调用包装类。下面示例将都使用 C# 作为描述语言。
在使用时，可以直接获取ICorDebug接口，并调用其Initialize/Terminate方法进行初始化和析构操作，框架代码如下：
以下为引用：
using CORDBLib;
namespace cordbg
{
public class Debugger : IDisposable
{
private ICorDebug _dbg;
public void Run()
{
_dbg = new CorDebugClass();
try
{
_dbg.Initialize();
// 构造调试环境
// 处理调试事件
}
finally
{
_dbg.Terminate();
}
}
...
}
[MTAThread]
static void Main(string[] args)
{
using(Debugger dbg = new Debugger())
{
dbg.Run();
}
}
}
注意 CLR 调试环境必须在 MTA 的线程套间上下文(Thread Apartment Context)中运行，因此必须将入口函数的 STAThread 属性改成 MTAThread，否则会在调试接口调用回调函数时出现异常。对应于 COM 中的 CoInitializeEx(NULL, COINIT_MULTITHREADED) 调用。
在创建了 ICorDebug 调试接口后，需要针对托管和非托管调试事件，提供调试事件回调接口。可以将实现了调试事件接口 ICorDebugManagedCallback/ICorDebugUnmanagedCallback 的实例，使用 ICorDebug 接口的 SetManagedHandler/SetUnmanagedHandler 方法，挂接到调试系统上，在适当的时候由调试系统回调，通知调试器有调试事件发生。实现上可以通过 ManagedEventHandler/UnmanagedEventHandler 两个单独的类，抽象出对托管和非托管调试事件的处理机制，将之挂接到调试器上，如：
以下为引用：
namespace cordbg
{
public class DebugEventHandler
{
protected Debugger _dbg;
public DebugEventHandler(Debugger dbg)
{
this._dbg = dbg;
}
}
public class ManagedEventHandler : DebugEventHandler, ICorDebugManagedCallback
{
public ManagedEventHandler(Debugger dbg) : base(dbg)
{
}
// 实现 ICorDebugManagedCallback 接口
}
public class UnmanagedEventHandler : DebugEventHandler, ICorDebugUnmanagedCallback
{
public UnmanagedEventHandler(Debugger dbg) : base(dbg)
{
}
// 实现 ICorDebugUnmanagedCallback 接口
}
public class Debugger : IDisposable
{
public void Run()
{
//...
_dbg.SetManagedHandler(new ManagedEventHandler(this));
_dbg.SetUnmanagedHandler(new UnmanagedEventHandler(this));
//...
}
}
}
在准备好了调试事件处理器后，就可以根据需要，创建或者附加到目标调试进程上。ICorDebug 提供了 CreateProcess 方法对 Win32 API 中 CreateProcess 函数进行了包装。
以下为引用：
public abstract interface ICorDebug
{
public abstract new void CreateProcess (
string lpApplicationName,
string lpCommandLine,
_SECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
_SECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
int bInheritHandles,
uint dwCreationFlags,
IntPtr lpEnvironment,
System.String lpCurrentDirectory,
uint lpStartupInfo,
uint lpProcessInformation,
CorDebugCreateProcessFlags debuggingFlags,
ICorDebugProcess ppProcess)
}
BOOL CreateProcess(
LPCTSTR lpApplicationName,
LPTSTR lpCommandLine,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
BOOL bInheritHandles,
DWORD dwCreationFlags,
LPVOID lpEnvironment,
LPCTSTR lpCurrentDirectory,
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo,
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation
);
可以看到这两个函数的参数基本上是一一对应的，只不过ICorDebug.CreateProcess函数多了一个输入debuggingFlags参数指定调试标志和一个输出ppProcess参数返回创建进程的控制接口。
两个 _SECURITY_ATTRIBUTES 类型的安全属性，一般来说可以设置为空，使用缺省设置。
以下为引用：
_SECURITY_ATTRIBUTES sa = new _SECURITY_ATTRIBUTES();
sa.nLength = (uint)Marshal.SizeOf(sa);
sa.bInheritHandle = Win32.BOOL.FALSE;
sa.lpSecurityDescriptor = IntPtr.Zero;
值得注意的是 dwCreationFlags 指定了创建进程是否支持 Native 模式的调试，也就是前面 SetUnmanagedHandler 方法调用的接口是否起作用。可以根据情况如命令行选项决定是否支持 Native 调试模式，如
以下为引用：
namespace Win32
{
public struct CreationFlag
{
public const uint DEBUG_PROCESS = 0x00000001;
public const uint DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS = 0x00000002;
public const uint CREATE_SUSPENDED = 0x00000004;
public const uint DETACHED_PROCESS = 0x00000008;
public const uint CREATE_NEW_CONSOLE = 0x00000010;
public const uint NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00000020;
public const uint IDLE_PRIORITY_CLASS = 0x00000040;
public const uint HIGH_PRIORITY_CLASS = 0x00000080;
public const uint REALTIME_PRIORITY_CLASS = 0x00000100;
public const uint CREATE_NEW_PROCESS_GROUP = 0x00000200;
public const uint CREATE_UNICODE_ENVIRONMENT = 0x00000400;
public const uint CREATE_SEPARATE_WOW_VDM = 0x00000800;
public const uint CREATE_SHARED_WOW_VDM = 0x00001000;
public const uint CREATE_FORCEDOS = 0x00002000;
public const uint BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00004000;
public const uint ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00008000;
public const uint CREATE_BREAKAWAY_FROM_JOB = 0x01000000;
}
}
namespace cordbg
{
public class Debugger : IDisposable
{
private void Run()
{
//...
uint dwCreationFlag = CreationFlag.CREATE_NEW_CONSOLE;
if(Options.NativeMode)
{
dwCreationFlag |= CreationFlag.DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS | CreationFlag.DEBUG_PROCESS;
}
//...
}
}
}
比较麻烦的是指定启动参数的 lpStartupInfo 参数和返回进程信息的 lpProcessInformation 参数。C# 在导入 cordebug.tlb 类型库时，都没有处理这两个类型，必须自己定义之：
以下为引用：
[StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet=CharSet.Auto)]
public struct STARTUPINFO
{
public uint cb;
public string lpReserved;
public string lpDesktop;
public string lpTitle;
public uint dwX;
public uint dwY;
public uint dwXSize;
public uint dwYSize;
public uint dwXCountChars;
public uint dwYCountChars;
public uint dwFillAttribute;
public uint dwFlags;
public ushort wShowWindow;
public ushort cbReserved2;
public IntPtr lpReserved2;
public IntPtr hStdInput;
public IntPtr hStdOutput;
public IntPtr hStdError;
}
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct PROCESS_INFORMATION
{
public IntPtr hProcess;
public IntPtr hThread;
public uint dwProcessId;
public uint dwThreadId;
}
使用的时候则需要先在堆栈中构造此结构的值类型对象，然后通过 unsafe 形式指针，或者 Marshal 手工处理将之转换为地址。这里为了避免使用较为 dirty 的 unsafe 方式，通过 Marshal.AllocHGlobal 分配全局内存；然后调用 Marshal.StructureToPtr 将结构复制到内存中；调用 CreateProcess 时使用此内存的地址；调用返回后使用 Marshal.PtrToStructure 从内存中获得结构的内容；最后调用 Marshal.FreeHGlobal 释放全局内存。简要代码如下：
以下为引用：
//...
STARTUPINFO si = new STARTUPINFO(); // 构造时所有字段已清零
si.cb = (uint)Marshal.SizeOf(si);
PROCESS_INFORMATION pi = new PROCESS_INFORMATION();
IntPtr ppi = Marshal.AllocHGlobal(Marshal.SizeOf(pi)),
psi = Marshal.AllocHGlobal(Marshal.SizeOf(si));
Marshal.StructureToPtr(si, psi, true);
Marshal.StructureToPtr(pi, ppi, true);
_dbg.CreateProcess(Options.FileInfo.FullName, Options.CommandLine,
ref sa, ref sa, BOOL.FALSE, dwCreationFlag, IntPtr.Zero,
Options.CurrentDirectory, (uint)psi.ToInt32(), (uint)ppi.ToInt32(),
CorDebugCreateProcessFlags.DEBUG_NO_SPECIAL_OPTIONS, out _proc);
pi = (PROCESS_INFORMATION)Marshal.PtrToStructure(ppi, typeof(PROCESS_INFORMATION));
Marshal.FreeHGlobal(ppi);
Marshal.FreeHGlobal(psi);
Native.CloseHandle(pi.hProcess);
//...
而将调试器附加到现有进程上则相对简单得多，接口方法如下：
以下为引用：
public abstract interface ICorDebug
{
public abstract new void DebugActiveProcess(uint id, int win32Attach, ICorDebugProcess ppProcess)
}
BOOL DebugActiveProcess(
DWORD dwProcessId
);
与 Win32 API 的 DebugActiveProcess 相比，ICorDebug.DebugActiveProcess 增加的 win32Attach 指定是否允许 Native 模式调试，ppProcess 返回目标调试进程的控制接口。
以上简要介绍了 CLR 调试接口在使用时如何构造调试环境，以及对调试目标进程的创建和附加的方法。下一节将整体上对托管和非托管的各种调试事件做一个介绍，然后再针对不同的调试功能开始详细介绍。
CLR 调试接口主要通过 mscordbi.dll 提供的 ICorDebug 接口，让调试器通过进程内或进程外方式，对被调试 CLR 进行监控。而 ICorDebug 接口可以通过 .NET Framework SDK 中 includecordebug.idl 或 includecordebug.h 直接使用。对 C#/Delphi 也可以直接 reference/import 在 SDK 的 lib 目录下的 cordebug.tlb 类型库，获得调用包装类。下面示例将都使用 C# 作为描述语言。
在使用时，可以直接获取ICorDebug接口，并调用其Initialize/Terminate方法进行初始化和析构操作，框架代码如下：
以下为引用：
using CORDBLib;
namespace cordbg
{
public class Debugger : IDisposable
{
private ICorDebug _dbg;
public void Run()
{
_dbg = new CorDebugClass();
try
{
_dbg.Initialize();
// 构造调试环境
// 处理调试事件
}
finally
{
_dbg.Terminate();
}
}
...
}
[MTAThread]
static void Main(string[] args)
{
using(Debugger dbg = new Debugger())
{
dbg.Run();
}
}
}
注意 CLR 调试环境必须在 MTA 的线程套间上下文(Thread Apartment Context)中运行，因此必须将入口函数的 STAThread 属性改成 MTAThread，否则会在调试接口调用回调函数时出现异常。对应于 COM 中的 CoInitializeEx(NULL, COINIT_MULTITHREADED) 调用。
在创建了 ICorDebug 调试接口后，需要针对托管和非托管调试事件，提供调试事件回调接口。可以将实现了调试事件接口 ICorDebugManagedCallback/ICorDebugUnmanagedCallback 的实例，使用 ICorDebug 接口的 SetManagedHandler/SetUnmanagedHandler 方法，挂接到调试系统上，在适当的时候由调试系统回调，通知调试器有调试事件发生。实现上可以通过 ManagedEventHandler/UnmanagedEventHandler 两个单独的类，抽象出对托管和非托管调试事件的处理机制，将之挂接到调试器上，如：
以下为引用：
namespace cordbg
{
public class DebugEventHandler
{
protected Debugger _dbg;
public DebugEventHandler(Debugger dbg)
{
this._dbg = dbg;
}
}
public class ManagedEventHandler : DebugEventHandler, ICorDebugManagedCallback
{
public ManagedEventHandler(Debugger dbg) : base(dbg)
{
}
// 实现 ICorDebugManagedCallback 接口
}
public class UnmanagedEventHandler : DebugEventHandler, ICorDebugUnmanagedCallback
{
public UnmanagedEventHandler(Debugger dbg) : base(dbg)
{
}
// 实现 ICorDebugUnmanagedCallback 接口
}
public class Debugger : IDisposable
{
public void Run()
{
//...
_dbg.SetManagedHandler(new ManagedEventHandler(this));
_dbg.SetUnmanagedHandler(new UnmanagedEventHandler(this));
//...
}
}
}
在准备好了调试事件处理器后，就可以根据需要，创建或者附加到目标调试进程上。ICorDebug 提供了 CreateProcess 方法对 Win32 API 中 CreateProcess 函数进行了包装。
以下为引用：
public abstract interface ICorDebug
{
public abstract new void CreateProcess (
string lpApplicationName,
string lpCommandLine,
_SECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
_SECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
int bInheritHandles,
uint dwCreationFlags,
IntPtr lpEnvironment,
System.String lpCurrentDirectory,
uint lpStartupInfo,
uint lpProcessInformation,
CorDebugCreateProcessFlags debuggingFlags,
ICorDebugProcess ppProcess)
}
BOOL CreateProcess(
LPCTSTR lpApplicationName,
LPTSTR lpCommandLine,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
BOOL bInheritHandles,
DWORD dwCreationFlags,
LPVOID lpEnvironment,
LPCTSTR lpCurrentDirectory,
LPSTARTUPINFO lpStartupInfo,
LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation
);
可以看到这两个函数的参数基本上是一一对应的，只不过ICorDebug.CreateProcess函数多了一个输入debuggingFlags参数指定调试标志和一个输出ppProcess参数返回创建进程的控制接口。
两个 _SECURITY_ATTRIBUTES 类型的安全属性，一般来说可以设置为空，使用缺省设置。
以下为引用：
_SECURITY_ATTRIBUTES sa = new _SECURITY_ATTRIBUTES();
sa.nLength = (uint)Marshal.SizeOf(sa);
sa.bInheritHandle = Win32.BOOL.FALSE;
sa.lpSecurityDescriptor = IntPtr.Zero;
值得注意的是 dwCreationFlags 指定了创建进程是否支持 Native 模式的调试，也就是前面 SetUnmanagedHandler 方法调用的接口是否起作用。可以根据情况如命令行选项决定是否支持 Native 调试模式，如
以下为引用：
namespace Win32
{
public struct CreationFlag
{
public const uint DEBUG_PROCESS = 0x00000001;
public const uint DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS = 0x00000002;
public const uint CREATE_SUSPENDED = 0x00000004;
public const uint DETACHED_PROCESS = 0x00000008;
public const uint CREATE_NEW_CONSOLE = 0x00000010;
public const uint NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00000020;
public const uint IDLE_PRIORITY_CLASS = 0x00000040;
public const uint HIGH_PRIORITY_CLASS = 0x00000080;
public const uint REALTIME_PRIORITY_CLASS = 0x00000100;
public const uint CREATE_NEW_PROCESS_GROUP = 0x00000200;
public const uint CREATE_UNICODE_ENVIRONMENT = 0x00000400;
public const uint CREATE_SEPARATE_WOW_VDM = 0x00000800;
public const uint CREATE_SHARED_WOW_VDM = 0x00001000;
public const uint CREATE_FORCEDOS = 0x00002000;
public const uint BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00004000;
public const uint ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS = 0x00008000;
public const uint CREATE_BREAKAWAY_FROM_JOB = 0x01000000;
}
}
namespace cordbg
{
public class Debugger : IDisposable
{
private void Run()
{
//...
uint dwCreationFlag = CreationFlag.CREATE_NEW_CONSOLE;
if(Options.NativeMode)
{
dwCreationFlag |= CreationFlag.DEBUG_ONLY_THIS_PROCESS | CreationFlag.DEBUG_PROCESS;
}
//...
}
}
}
比较麻烦的是指定启动参数的 lpStartupInfo 参数和返回进程信息的 lpProcessInformation 参数。C# 在导入 cordebug.tlb 类型库时，都没有处理这两个类型，必须自己定义之：
以下为引用：
[StructLayout(LayoutKind.Sequential, CharSet=CharSet.Auto)]
public struct STARTUPINFO
{
public uint cb;
public string lpReserved;
public string lpDesktop;
public string lpTitle;
public uint dwX;
public uint dwY;
public uint dwXSize;
public uint dwYSize;
public uint dwXCountChars;
public uint dwYCountChars;
public uint dwFillAttribute;
public uint dwFlags;
public ushort wShowWindow;
public ushort cbReserved2;
public IntPtr lpReserved2;
public IntPtr hStdInput;
public IntPtr hStdOutput;
public IntPtr hStdError;
}
[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public struct PROCESS_INFORMATION
{
public IntPtr hProcess;
public IntPtr hThread;
public uint dwProcessId;
public uint dwThreadId;
}
使用的时候则需要先在堆栈中构造此结构的值类型对象，然后通过 unsafe 形式指针，或者 Marshal 手工处理将之转换为地址。这里为了避免使用较为 dirty 的 unsafe 方式，通过 Marshal.AllocHGlobal 分配全局内存；然后调用 Marshal.StructureToPtr 将结构复制到内存中；调用 CreateProcess 时使用此内存的地址；调用返回后使用 Marshal.PtrToStructure 从内存中获得结构的内容；最后调用 Marshal.FreeHGlobal 释放全局内存。简要代码如下：
以下为引用：
//...
STARTUPINFO si = new STARTUPINFO(); // 构造时所有字段已清零
si.cb = (uint)Marshal.SizeOf(si);
PROCESS_INFORMATION pi = new PROCESS_INFORMATION();
IntPtr ppi = Marshal.AllocHGlobal(Marshal.SizeOf(pi)),
psi = Marshal.AllocHGlobal(Marshal.SizeOf(si));
Marshal.StructureToPtr(si, psi, true);
Marshal.StructureToPtr(pi, ppi, true);
_dbg.CreateProcess(Options.FileInfo.FullName, Options.CommandLine,
ref sa, ref sa, BOOL.FALSE, dwCreationFlag, IntPtr.Zero,
Options.CurrentDirectory, (uint)psi.ToInt32(), (uint)ppi.ToInt32(),
CorDebugCreateProcessFlags.DEBUG_NO_SPECIAL_OPTIONS, out _proc);
pi = (PROCESS_INFORMATION)Marshal.PtrToStructure(ppi, typeof(PROCESS_INFORMATION));
Marshal.FreeHGlobal(ppi);
Marshal.FreeHGlobal(psi);
Native.CloseHandle(pi.hProcess);
//...
而将调试器附加到现有进程上则相对简单得多，接口方法如下：
以下为引用：
public abstract interface ICorDebug
{
public abstract new void DebugActiveProcess(uint id, int win32Attach, ICorDebugProcess ppProcess)
}
BOOL DebugActiveProcess(
DWORD dwProcessId
);
与 Win32 API 的 DebugActiveProcess 相比，ICorDebug.DebugActiveProcess 增加的 win32Attach 指定是否允许 Native 模式调试，ppProcess 返回目标调试进程的控制接口。
以上简要介绍了 CLR 调试接口在使用时如何构造调试环境，以及对调试目标进程的创建和附加的方法。下一节将整体上对托管和非托管的各种调试事件做一个介绍，然后再针对不同的调试功能开始详细介绍。
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