为什么数据断点在未对齐的地址上不起作用答案

【问题标题】：Why does data breakpoint not work on unaligned address为什么数据断点在未对齐的地址上不起作用
【发布时间】：2014-07-22 06:49:01
【问题描述】：

在 Visual Studio 中调试 C++ 项目时，一些数据断点从未命中。

所以我写了一些代码进行测试：

#include <iostream>
#include <stdint.h>

void test(uint32_t* p)
{
    *p = 0;

    // set a data breakpoint on p

    *((char*)p + 2) = 0x1;

    std::cout << *p << std::endl;
}

uint32_t* alloc(size_t offset)
{
    char* p = new char[sizeof(uint32_t) + offset];
    p = p + offset;
    return (uint32_t*)p;
}

int main()
{
    test(alloc(0));    // test #1
    test(alloc(2));    // test #2
}

如您所见，在函数测试中，*p 的值将首先归零，那么它将被隐式更改，我有一个小端CPU，所以它必须是 65536。

如果在 p（4 字节）上设置数据断点来检测变化，你会得到两种不同的结果：命中与否。这取决于 p 指向的地址。

在我上面的测试代码中，测试#1 会命中，而测试#2 不会， #1 和 #2 之间的区别是返回的地址 alloc(0) 和 alloc(2)。

MSDN上的这篇文章How to: Set a Data Breakpoint不讲这个。

数据断点在未对齐的地址上不起作用吗？

【问题讨论】：

标签： c++ debugging visual-c++ breakpoints

【解决方案1】：

数据断点是在 CPU 的帮助下设置的，使用 x86 上的调试寄存器；关于它们，英特尔手册说（§17.2.5）：

断点地址寄存器（调试寄存器DR0 到DR3）和每个断点的LENn 字段定义了一个数据或 I/O 断点的连续字节地址范围。 LENn 字段允许指定 1-、2-、4- ，或 8 字节范围，从相应调试寄存器 (DRn) 中指定的线性地址开始。 双字节范围必须在字边界上对齐； 4 字节范围必须在双字边界上对齐。 I/O 地址是零扩展的（从 16 位到 32 位，用于与所选调试中的断点地址进行比较登记）。这些要求由处理器强制执行；它使用 LENn 字段位来屏蔽低地址位在调试寄存器中。 未对齐的数据或 I/O 断点地址不会产生有效结果。

（强调）

所以，限制在于硬件。

【讨论】：

【解决方案2】：

详细解释为什么会这样：

数据断点使用 CPU 的调试寄存器。在 x86 上，这些调试寄存器通过屏蔽地址的低位来与其数据大小对齐：

16 位（2 字节）断点清除其最低地址位(addr & -2)。
32 位（4 字节）断点清除其 2 个最低地址位 (addr & -4)。
64 位（8 字节）断点清除其 3 个最低地址位(addr & -8)。

当 x86 CPU 访问内存时，它会以相同的方式通过屏蔽地址与调试寄存器地址进行比较，如果两者相等，它会触发断点。

这是在调试断点比较器中简化电子电路的一个技巧：只需要比较两个对齐的地址。

它以电子方式转换为伪代码：

if(!((address ^ debug_address) & debug_mask))
    breakpoint();

代替：

if((address >= debug_address) & (address < debug_address_plus_length))
    breakpoint();

在硅片中实现要复杂得多，而且会降低 CPU 的速度。即使在软件中，第一个也会运行得更快。

只要所有内存访问都对齐，地址屏蔽技巧就可以完美运行。

假设 p 指向地址 0xF02 并且断点是 32 位（4 字节），那么断点地址与 ((0xF02 & -4) == 0xF00) 对齐。

注意：-4 是 0xFFFFFFFC（32 位）或 0xFFFFFFFFFFFFFFFC（64 位）

然后你访问地址（0xF02+2 == 0xF04）

CPU 然后屏蔽 0xF04 ((0xF04 & -4) == 0xF04)，然后将其与调试断点地址 (0xF00) 进行比较。

它们不匹配，因此 CPU 不会触发断点。

【讨论】：