符号文件如何让断点发挥作用的？

调试符号文件（pdb）是一种很复杂的文件，由于这种文件格式微软并不公开，所以至今为止，并没有一篇文章或资料敢说自己对pdb文件进行了深入剖析。更重要的原因是，我们为了研究调试技术，需要知道一些系统（操作系统，编译器，连接器，调试器等）调试支持，仅仅知道即可，没必要深究微软为了实现调试而做出的每一个细节。
首先，我先问几个问题：

1. 我们经常用的调试方法，下断点，是如何实现的呢？
2. 我们可以在程序还没有执行起来的时候就可以下断点，等调试启动的时候，就可以命中这个断点。这个是怎么实现的？
3. 当断点命中时，我们可以观察一个变量的值，这是怎么实现的？

先简单讲解本文中用到的两个概念：

1. OFFSET，文件中的偏移。
2. VA，程序加载到内存后的一个虚拟地址。

假设在一个EXE文件中，有一个全局变量a，距离文件起始的偏移为0x10，此时文件的起始位置为0x00000000，那么该全局变量a的OFFSET就是0x00000010。当这个exe执行起来，加载到内存后，这个exe本身所加载到的内存位置称为基地址。假设基地址为0x00400000，那么这个全局变量a的VA便是0x00400010。可见，exe本身所加载到的基地址不一样的话，那么a的VA就不能确定。
依然使用最简单的例子，来阐述原理，代码如下：

 

可以观察到，此时，笔者并未调试启动程序，而这个断点，就已经打上了。接下来我们调试启动程序，如下图：

 

此时，我们已经进入断点，并中断下来，我们可以观察到全局变量g_nVar的值。想必这个过程，有过VC++开发经验的开发者，再熟悉不过了。下面，详细分析一下这个过程。
当我们鼠标点击下断点的时候，我们的程序还没有启动，VS是不可能知道这个断点应该打在内存中的哪一条指令的地址处的（此时，VS顶多知道断点所在的OFFSET，但是无法知道断点所在的VA），但是VS可以记录到一条重要的信息，就是当前断点在哪个源文件的哪个行号上。
接下来，我们调试启动程序，exe的镜像加载到内存后，所有代码段的指令的VA便是真实可用的了。但此时调试器是如何根据断点所在源文件和行号，来找到断点所在的VA的呢？现在，你应该想到本文在讲什么，哈哈，就是pdb啦。那么pdb文件中到底存了什么，才让调试器可以根据源文件及行号来找到对应的VA呢？

默认情况下，在pdb文件中，保存了可执行文件中所有的符号（函数名、变量名等）所在源文件、行号、OFFSET等信息。但是这些信息，是在什么时间得到的呢？很明显是编译阶段，编译器在编译每个cpp的过程中，就可以把这些符号的相关信息收集起来，存放在各个cpp所生成的obj文件中，然后在链接的时候，提取每个obj中的这些信息，生成一个单独的pdb文件。这样，以后调试程序的时候，调试器只要找得到这个pdb，就可以知道可执行文件中，所有符号所在的源文件、行号和OFFSET了。反过来说，当给出一个源文件和行号，就可以拿到对应的OFFSET了，所以在还没有启动调试的时候，我们下的断点，实际上调试器是知道这个断点应该在哪个OFFSET上了，等启动调试的时候，用这个OFFSET加上这个模块所加载到的基地址值，就可以得到这个断点所在的VA了，然后在这个VA处强行写上int 3指令，并继续执行，当执行到这里，便中断下来给我们一个调试机会了。想想，如果没有pdb，这个断点还能用么？
当我们鼠标放在某个变量上时，调试器可以拿到这个变量的名称，根据我们前面说的，用这个名称去pdb中查找，自然就可以找到pdb文件中保存的OFFSET了，加上这个模块的基地址，就找到了这个变量所在内存的VA，剩下的就是读一下这个VA内存中的内容了。这样也就实现了观察变量值得功能。
下面证实一下，pdb文件中确实存储了源文件、行号、OFFSET等信息。将上面例子代码放到VC6中编译，然后到debug目录中使用dumpbin来查看CodeTest.obj文件中的符号信息，如图：

 

可见，add函数和main函数所在行号和起始行号和结束行号都是有记录的，那源文件是哪个呢？哈哈，当然是CodeTest.cpp了，我们查看的是CodeTest.obj文件嘛。。。
但是这里并没有add或者main函数的OFFSET啊，为什么呢？想想，此时只有一堆obj，真正的可执行模块还没有生成出来呢，何来的可执行模块的OFFSET呢。。。由此可以知道，这个OFFSET要在链接过程中，才可以确定。经过了链接之后，这些本来在obj里的调试信息，也就被收集到pdb文件中了，下面我们来找找add函数的OFFSET到底在哪里？使用SymView工具打开CodeTest.pdb文件，如下图：

 

可见，pdb中存储了add函数相关信息，不仅仅只有offset，而且此处并未直接记载add函数在哪个cpp里，这些关系都是通过索引来查找的，其实pdb文件的内部结构是很复杂的，要想解释清楚，其实很不容易，大家如果想知道pdb内部到底都有什么东西，可以参考一下《软件调试》第25章，但也是讲了个大概。

在我们观察的过程中，我们可以发现两个很主要的特征：

1. 可执行模块中，保存了当前模块的调试符号文件的路径，而且是绝对路径，如下图：
   
2. Pdb文件中保存了每个cpp文件的路径，而且也是用的绝对路径。如下图：
   

 这样，我们可以得出一个结论：

1. 在同一台开发者的机器上，如果被调试的exe放在了其他目录里，而pdb依然在原来生成时所在的位置，那么调试exe时，依然可以找到对应的pdb文件。
2. 如果exe和pdb都换了路径，只要调试的时候，我们手动指定了pdb所在的位置，如果源码文件还在原来的路径，那么调试时，依然可以找得到源码文件。