[WinAPI] OutputDebugString 的原理与 DebugView 的实现

陪她去流浪 桃子 2016年11月30日 编辑 阅读次数：5250

之前写了一个基于 ETW(Event Tracing for Windows) 的日志记录与查看器。于是想把 DebugView 的功能也集成进来进来，达到在同一个日志查看器下使用的目的。遂研究了下 DebugView 的原理。

DebugView 捕捉到的来自 Win32 应用层的日志是 OutputDebugString() 输出的。这个函数的输出能够被所有调试器所捕捉到，也包括 WinDbg, Visual Studio 在内。于是猜想，肯定有公共的接口或协议来操作该日志。而且，这个函数的使用方式非常的简单：它只接收一个普通字符串参数。于是只需要传入一个普通字符串即可，长度大概在 4096 个字符左右。说它简单的原因是其只能简单地原样输出参数指向的字符串，既不能期待它有格式化输出的功能，也不能期待它能帮忙打印出线程、文件、行号、函数等信息。要实现这些功能的话，就得对其进行包装一下。用宏就可以了，实现方式不麻烦，就不详述了。

好在已经有网友通过反汇编 OutputDebugString 弄清楚了它的工作原理，Steve Friedl 就是其中之一。接下来我就简单介绍一下通信机制。以下用术语“应用程序”代表日志输出者，“调试器”代表日志接收者。

应用程序和调试器之间是通过一块 4KB 的共享内存来传递数据的。同一时刻只能有一个应用程序能够访问该共享内存，于是需要一个互斥体，只有获得了该互斥体，才应该继续操作该共享内存。为了读写不冲突，同时还需要两个事件对象，一个用于读（数据准备好了），一个用于写（空间空闲）。于是，共有 4 个内核对象：

内核对象名字内核对象类型
DBWinMutex互斥体
DBWIN_BUFFER共享内存
DBWIN_BUFFER_READY事件
DBWIN_DATA_READY事件

互斥体 DBWinMutex 是始终存在的，但其它三个只有在调试器存在并准备接收消息（日志）的时候才会存在。于是，如果后面这三个对象之一已经存在，其它的调试器将无法再接收由 OutputDebugString 而来的日志消息。

共享内存块有着下面的固定格式结构：

struct dbwin_buffer
{
    DWORD   dwProcessId;
    char    data[4096 - sizeof(DWORD)];
};

dwProcessId 代表打印此日志的进程ID。这 4KB 中剩余的部分则是日志数据。该日志总是以 NUL（'\0'）结尾。

并且值得注意的是：日志字符串的字符类型是 char，不管你调用的是 OutputDebugStringA 还是 OutputDebugStringW。Windows 内核是 Unicode 为基础的，多数提供 A/W 版本的函数都是 W 实现，然后 A 版本通过编码转换后调用 W 版本的实现。但 OutputDebugString 是个例外：OutputDebugStringW 是后来才提供的，它的功能是转换编码并调用 A 版本。由于 A 版本的字符集是系统相关的，于是可能导致 W 版本不能正确地输出日志中某些字符。

当应用程序调用 OutputDebugString() 时，OutputDebugString() 会完成以下步骤的操作。若其中一步操作失败，则该日志将丢失。

  1. 打开 DBWinMutex 互斥体并等待，直到能够互斥地访问它；
  2. 映射 DBWIN_BUFFER 共享内存到内存（如果没找到，则当前可能没有调试器，放弃操作）；
  3. 打开 DBWIN_BUFFER_READY 和 DBWIN_DATA_READY 事件。同上面的共享内存一样，必须要两者同时拿到才应继续操作；
  4. 等待 DBWIN_BUFFER_READY 事件成为激发状态（Signaled）。这意味者：该共享内存此时处于空闲状态。多数时候该事件是处于激发状态的，但如果不是，OutputDebugString 等待的时间不会超过 10s。若超时，放弃操作；
  5. 复制最多 4KB（实际是 4096-sizeof(DWORD)） 数据到共享内存（数据总是以 NUL（'\0'）结尾的），并且设置好进程ID。
  6. 通过设置事件 DBWIN_DATA_READY 来告诉调试器数据已经准备好了。
  7. 释放互斥体（为了后续操作可不用关闭），关闭事件，取消映射共享内存。

在调试器端，就要简单一些了。互斥体始终不会用到。并且如果这两个事件（或之一）、共享内存存在的话，就意味着当前有调试器正在接收输出。不应该继续了。因为同一时刻应当只存在一个调试器正在接收来自 OutputDebugString 的输出。

  1. 创建好上述共享内存和两个事件（互斥体不需要）（其中之一失败就放弃）；
  2. 设置 DBWIN_BUFFER_READY 事件。于是应用程序知道有调试器开始工作了，数据缓冲区已备好；
  3. 等待 DBWIN_DATA_READY 事件变成激发状态；
  4. 处理日志数据：进程ID、日志内容；
  5. 回到第 2 步，循环接收。

整体来说，工作方式很简单。完整简要地实现了一个多进程通信模型。不过，不停地映射共享内存感觉性能比较差。

另外，由于后来 Windows 系统 UIPI 机制的加入，有时会出现一些权限问题。我就暂时不深究了，感兴趣的可以继续深入。

关于 OutputDebugString 的原理和实现可以参考：http://www.unixwiz.net/techtips/outputdebugstring.html。

我自己的日志查看器中的实现：https://github.com/movsb/taoetw/blob/master/src/log/dbgview.cpp。

标签：调试 · WinAPI · 日志

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