Rubinius 全速调试器技术内幕

  • Werner Schuster
  • 马家宽

2008 年 1 月 29 日

话题:Ruby语言 & 开发架构

Ruby 的调试器支持早已有之——长久以来,Ruby 发行时都附带着一个命令行调试器。不过,调试器的速度一直是个问题。通常,Ruby 调试器使用诸如 Ruby 的回调(callback)块或通过在 Ruby 代码执行前调用函数来实现。回调会检查线程是否挂起或该行代码是否存在断点。

Ruby 的自带调试器使用 Ruby 实现,包含一个通过set_trace_func设置的 Ruby 块。这一方法的更快速版本则采用了 C(ruby-debugCylon debugger)和 Java(jruby-debug) 作为实现语言。然而,无论回调执行的多快,这种解决方案的问题都始终存在:只要 debugger 一启动,所调试 Ruby 程序的每一行代码都会承受额外的开销。

对于这一问题的理想解决方案应该是不引入额外开销,然后在遇到断点时将线程挂起。也就是在被触发前,断点不会带来(CPU 时钟周期方面的)任何代价。这正是 Rubinius 的全速调试器所采用的方案——这里的“全速”意指程序即便是在被调试时,也能保持正常的运行速度。

如下的特性使得Rubinius调试器的全速成为可能:



  • 将所有的 Ruby 代码转换成 shotgun 虚拟机所执行的指令(op_codes)——目前通过op_code 解释器执行
  • 全速调试功能引入了一条名为yield_debugger 的新指令——当该指令执行时会通知位于一个已定义 channel 之上的调试器线程(channels 是一种管道,也就是说从一端放入其中的数据可以在另一端接收到)
  • 方法的字节码可以被访问——实际上这一做法通常比较细微。这里示例一个String 类的to_s方法:
    m = "".method(:to_s) cm = b.compiled_method

    # this yields an array of InstructionSet::Opcode objects cm.bytecodes.decode
  • 多种工具方法为将指令偏移对应到行号提供帮助,例如CompiledMethod 的 first_ip_on_line 方法等。

有了这个功能之后,可以非常简单地在某个方法的特定行中设置断点

  • 获取这个方法的 Method 对象和对应的CompiledMethod 对象
  • 指出这个断点行的第一条指令的位置 
  • 把该位置的指令变成yield_debugger。原先的指令会被保存在一个用于管理的数据结构中
  • 在到达这个断点并且用户选择继续执行之后,原先的指令会被执行,而后会按正常的序列执行代码

这个功能已经存在一段时间了(参见InfoQ: Evan Phoenix 访谈 - 深入 Rubinius:线程、对象空间、调试)。不过因为Adam Gardinerd 的工作,这个全速调试器现在可以被一般用户使用了。Adam Gardiner 为Rubinius debugger 增加了基于命令行的用户界面以 及一些必要的命令。不仅如此,他编写的功能允许用户进行逐行单步调试。要使用这个功能只需要把当前断点的下一行也设为断点即可。当然,这个功能还需要了解 当前行是不是方法中的最后一行。不过在 Rubinius 中通过获取调用当前断点方法的句柄,这个信息也是可以得到的。因为上下文对象,例如方法活动栈,拥 有一个 sender 方法实现了这个功能。

调试器的使用很简单。在您装好了 Rubinius 后(查看如何检出并编译 Rubinius),通过如下方式启动irb

shotgun/rubinius 
然后执行:
Rubinius::VM::debugger 

(注意:对于目前版本,输入debugger也同样可以工作)。然后您将会进入到调试器的文本界面 - 可用的命令列表可以通过"?"命令获得,包括管理断点和诸如查看 op_codes 和其他方法中的 Ruby 源代码这样的特性。

比起那些依靠 trace 方式调试的 Ruby 实现(不论这些实现的速度有多快),全速调试器都使得 Rubinius 具有了独特的优势。同样值得注意的是:除了整个yield_debugger 指令使用了一些 C 代码,绝大多数Rubinius 调试功能都是内建的。

您尝试过 Rubinius 了吗?您是否了解应如何有效利用 Rubinius 清晰可见的内部结构,例如可以在运行时刻访问并修改字节码、查看调用栈?

另:查阅InfoQ 之前关于 Rubinius 的相关报道

查看英文原文:Inside the full speed Rubinius debugger

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