深入解析ELF调试核心：.debug_info节与DWARF格式详解

.debug_info 节是 ELF (可执行与可链接格式) 文件中存储 DWARF 调试信息的核心节区，它包含了程序的调试信息条目，为调试器提供了源代码与机器代码之间的精确映射关系，是进行源代码级调试的基石。

.debug_info节详解

.debug_info 节，即调试信息节，是 ELF 文件中存储 DWARF (带属性记录格式的调试信息) 调试信息的主要节区。它以编译单元为基本组织单位，每个单元都包含一棵完整的调试信息树。

1. DWARF格式概述

.debug_info 节采用 DWARF 格式来存储调试信息，其核心特征包括：

• 树形结构：调试信息以树形结构组织，每个节点称为一个调试信息条目。节点之间通过父子、兄弟关系连接。
• 编译单元：每个源代码文件通常对应一个或多个编译单元，它是调试信息在 .debug_info 节中的顶层组织单位。

2. 调试信息条目

.debug_info 节的核心是调试信息条目：

// DIE的基本结构
typedef struct {
    // 标签（Tag）标识条目类型
    // 属性列表（Attributes）
} DebugInfoEntry;

常见的DIE标签类型：

• DW_TAG_compile_unit：编译单元，表示一个源文件的调试信息。
• DW_TAG_subprogram：子程序，表示函数或方法。
• DW_TAG_variable：变量，表示局部或全局变量。
• DW_TAG_base_type：基本类型，如 int、char 等。
• DW_TAG_structure_type：结构体类型。
• DW_TAG_pointer_type：指针类型。

3. 数据结构

.debug_info 节内部通过特定的数据结构进行组织：

// 编译单元头部
typedef struct {
    Elf32_Word length;        // 编译单元长度
    Elf32_Half version;       // DWARF版本
    Elf32_Word abbrev_offset; // 缩写表偏移
    Elf32_Byte address_size;  // 地址大小
} DWARF_CU_Header;

// 调试信息条目（DIE）
typedef struct {
    Elf32_Word abbrev_code;   // 缩写码
    // 属性值列表（根据缩写表确定）
} DWARF_DIE;

4. 与其它调试节的关系

.debug_info 节并非孤立存在，它与 ELF 文件中的其他调试节紧密协作：

• .debug_abbrev 节：存储 DIE 的缩写信息，定义了 DIE 的标签和属性格式。
• .debug_str 节：集中存储调试信息中用到的字符串，DIE 中的字符串属性通过偏移引用此节。
• .debug_line 节：存储源代码行号信息，与 .debug_info 中的函数和变量条目关联。
• .debug_loc 节：存储变量的位置描述信息，详细说明变量在不同代码段的存储位置（如在寄存器或栈中）。

5. 编译单元结构

一个编译单元在 .debug_info 节中的典型结构如下：

1. 编译单元头部：包含该单元的基本信息，并指向 .debug_abbrev 节的偏移以解析后续 DIE。
2. 根 DIE：标签为 DW_TAG_compile_unit，包含源文件名、编译目录、编译器版本等全局信息。
3. 子 DIEs：在根 DIE 之下，按树形结构组织着描述函数、变量、类型等实体的子 DIE。

6. 属性类型

DIE 通过属性来描述实体的具体细节，常见属性包括：

• DW_AT_name：名称属性，如函数名、变量名、类型名。
• DW_AT_type：类型属性，指向另一个描述类型的 DIE。
• DW_AT_location：位置属性，通过表达式描述变量在内存或寄存器中的存储位置。
• DW_AT_low_pc / DW_AT_high_pc：地址范围属性，描述函数代码在内存中的起始和结束地址。
• DW_AT_decl_file / DW_AT_decl_line：声明位置属性，描述实体在源代码中的文件和行号。

7. 实际应用示例

我们可以使用 readelf 工具来查看 .debug_info 节的具体内容：

# 查看.debug_info节信息
$ readelf -S program | grep debug_info
[28] .debug_info       PROGBITS        00000000 000aa8 00016b 00      0   0  1

# 查看.debug_info详细内容
$ readelf --debug-dump=info program

Contents of the .debug_info section:

  Compilation Unit @ offset 0x0:
   Length:        0x167 (32-bit)
   Version:       4
   Abbrev Offset: 0x0
   Pointer Size:  8
 <0><b>: Abbrev Number: 1 (DW_TAG_compile_unit)
 <c>   DW_AT_producer    : (indirect string, offset: 0x0): GNU C11 9.3.0 -mtune=generic -march=x86-64 -g
 <10>   DW_AT_language    : 12 (ANSI C99)
 <11>   DW_AT_name        : (indirect string, offset: 0x44): main.c
 <15>   DW_AT_comp_dir    : (indirect string, offset: 0x4c): /home/user/project
 <19>   DW_AT_low_pc      : 0x1129
 <21>   DW_AT_high_pc     : 0x1145
 <29>   DW_AT_stmt_list   : 0x0
 <1><31>: Abbrev Number: 2 (DW_TAG_subprogram)
 <32>   DW_AT_external    : 1
 <33>   DW_AT_name        : (indirect string, offset: 0x5f): main
 <37>   DW_AT_decl_file   : 1
 <38>   DW_AT_decl_line   : 8
 <39>   DW_AT_type        : <0x7a>
 <3d>   DW_AT_low_pc      : 0x1129
 <45>   DW_AT_high_pc     : 0x1145
 <4d>   DW_AT_frame_base  : 1 byte block: 56 (DW_OP_reg6)
 <4f>   DW_AT_GNU_all_call_sites: 1
 <50>   DW_AT_sibling     : <0x7a>

从输出可以看到一个编译单元（来自 main.c）及其内部的 main 函数的详细信息，包括地址范围、声明行号等。

8. 存储的调试信息内容

.debug_info 节承载了丰富的调试信息，主要包括：

• 源文件信息：源文件名、完整路径、编译目录以及编译器版本信息。
• 函数信息：函数名称、在内存中的起始地址和大小、参数列表及其类型、局部变量信息。
• 变量信息：全局变量和局部变量的名称、类型，以及在不同程序点上的存储位置。
• 类型信息：从基本类型（int, char）到复杂的复合类型（结构体、联合体、数组）和派生类型（指针、引用）的定义。

9. 调试器如何使用

调试器（如 GDB）依赖 .debug_info 节工作：

1. 信息解析：加载可执行文件时，解析 .debug_info 节中的编译单元和 DIE 树，建立源代码符号（函数名、变量名）到机器代码地址的映射表。
2. 符号查找：当用户输入 break main 时，调试器查找标签为 DW_TAG_subprogram 且 DW_AT_name 为 “main” 的 DIE，从中获取 DW_AT_low_pc 地址并设置断点。
3. 类型信息查询：当用户要求打印一个复杂结构体变量时，调试器通过变量的 DW_AT_type 属性找到类型定义 DIE，从而知道该结构的成员布局并正确显示。

10. 优化与剥离

由于调试信息会显著增加文件体积，因此存在相关的优化和剥离操作：

• 调试信息优化：GCC 等编译器提供 -g1、-g2、-g3 等不同级别的调试选项，控制生成信息的详细程度，在体积和调试能力间取得平衡。
• 调试信息剥离：使用 strip 工具可以移除调试节，包括 .debug_info，以减小发布版本的文件大小。

  
  # 移除所有调试信息和符号表
  $ strip program

只移除调试信息（.debug_*节），保留普通符号表

$ strip --strip-debug program

### 总结
.debug_info 节作为 DWARF 调试信息生态的核心，通过编译单元和调试信息条目构成的树形结构，为调试器建立了从源代码到机器指令的完整映射。它使得设置断点、查看变量、回溯调用栈等高级调试功能成为可能，是现代软件开发与 [逆向工程](https://yunpan.plus/f/17-1) 中不可或缺的基础设施。理解其结构，对于深层次调试、性能分析或安全研究都至关重要。如果你想深入了解编译、调试等计算机系统知识，可以访问 [云栈社区](https://yunpan.plus) 探索更多相关内容。