DWARF .debug_line 분석 — Source-to-PC 매핑 바이트코드 VM

addr2line 0x401234가 어떻게 main.cpp:42라고 답할까요. 답은 .debug_line 섹션입니다. PC 주소와 (파일, 줄, 컬럼)의 매핑을 바이트코드 가상 머신으로 압축한 형태.

이 장은 그 VM의 정체를 다룹니다. 상태 머신 레지스터, 표준 opcode, 특수 opcode의 인코딩 트릭, 파일 테이블 구조, 그리고 addr2line이 안쪽에서 이 VM을 어떻게 실행하는지.

#왜 VM인가

main.cpp 한 파일이 수천 PC↔줄 매핑을 생성합니다. 단순 표로 저장하면 수십 KB. 하지만 대부분의 연속 행은 작은 차분만 다릅니다 (PC가 1-2 명령어 진행, 줄이 1-2 줄 변화). 이 패턴을 작은 명령어로 표현하면 1바이트로 한 행 추가 가능 — 압축비 10배 이상.

VM 모델은 1990년대 ANSI C standard committee가 본 그대로 PostScript·PDF의 상태 머신 인코딩 영향을 받았습니다.

#상태 머신 레지스터

VM이 실행되면서 다음 레지스터를 갱신.

DW_LNS_copy 명령이 현재 레지스터 상태를 한 행으로 emit. 그 후 basic_block, prologue_end, epilogue_begin, discriminator가 reset.

#헤더

각 컴파일 유닛에 한 .debug_line 프로그램. 헤더가 VM 동작 파라미터를 정의.

1
struct LineHeader {
2
    uint32_t unit_length;
3
    uint16_t version;
4
    uint8_t  address_size;            // DWARF 5
5
    uint8_t  segment_selector_size;   // DWARF 5
6
    uint32_t header_length;
7
    uint8_t  minimum_instruction_length;
8
    uint8_t  maximum_operations_per_instruction; // VLIW
9
    uint8_t  default_is_stmt;
10
    int8_t   line_base;
11
    uint8_t  line_range;
12
    uint8_t  opcode_base;
13
    uint8_t  standard_opcode_lengths[opcode_base - 1];
14

15
    // file/directory tables (DWARF 5는 형식 변경)
16
    DirectoryEntry directories[];
17
    FileEntry files[];
18
};

핵심 파라미터.

• minimum_instruction_length — 명령어 한 단위의 바이트. ARM=2 (Thumb), x86=1.
• maximum_operations_per_instruction — VLIW (IA-64) 같은 곳에서. 일반 RISC/CISC는 1.
• default_is_stmt — is_stmt 초기값 (보통 1).
• line_base / line_range — 특수 opcode 인코딩에 사용 (아래).
• opcode_base — 표준 opcode 개수 + 1.

#File / Directory Table (DWARF 4)

directories[]:

• 0: “src”
• 1: “include”
• 2: “third_party”

files[]:

• 1: { name: “main.cpp”, dir: 0, mtime: 0, size: 0 }
• 2: { name: “utils.h”, dir: 1, mtime: 0, size: 0 }
• 3: { name: “math.cpp”, dir: 0, mtime: 0, size: 0 }

file 레지스터가 1부터 시작 (DWARF 4까지). 0은 무효.

#DWARF 5 변화

DWARF 5는 0번 인덱스도 유효 (CU 자체의 파일을 0번에 둠), 그리고 entry format이 유연. DW_LNCT_path, DW_LNCT_directory_index, DW_LNCT_timestamp, DW_LNCT_size, DW_LNCT_MD5 같은 content type을 정의해 임의 조합 가능.

directory_entry_format:

• DW_LNCT_path DW_FORM_line_strp

file_name_entry_format:

• DW_LNCT_path DW_FORM_line_strp
• DW_LNCT_directory_index DW_FORM_data1
• DW_LNCT_MD5 DW_FORM_data16

MD5 hash가 있어 디버거가 소스 파일의 변경을 검출 가능. list 시 현재 소스 파일이 빌드 시점과 다르다를 경고할 수 있게.

#Opcode 세 가지

#1. 표준 opcode (DW_LNS_*)

opcode_base 미만의 값. 각각이 0개 이상의 LEB128 인자를 가짐.

#2. 확장 opcode (DW_LNE_*)

0x00 + LEB128 길이 + opcode + 인자. 드물게 쓰이는 명령.

DW_LNE_set_address가 함수 시작 시 절대 주소를 설정하는 데 사용. 이후 DW_LNS_advance_pc로 상대 증분.

#3. 특수 opcode (Special opcode)

opcode_base 이상의 값. 한 바이트로 address 증분 + line 증분 + copy를 모두 수행. 압축의 핵심.

1
adjusted_opcode = opcode - opcode_base
2
operation_advance = adjusted_opcode / line_range
3
line_increment    = line_base + (adjusted_opcode % line_range)
4

5
새 address = address + operation_advance * min_inst_len
6
새 line    = line + line_increment
7
copy
8

9
그 후 basic_block / prologue_end / epilogue_begin / discriminator reset

예: opcode_base=13, line_base=-5, line_range=14, min_inst_len=1인 헤더 — 한 바이트로 *(address 증분 0-17, line 증분 -5 ~ +8)*의 거의 모든 조합을 표현.

1
opcode 0x10 → adjusted = 3
2
              operation_advance = 3 / 14 = 0  → address += 0
3
              line_increment = -5 + (3 % 14) = -2  → line -= 2
4
              copy
5

6
opcode 0x18 → adjusted = 11
7
              operation_advance = 11 / 14 = 0  → address += 0
8
              line_increment = -5 + 11 = 6  → line += 6
9
              copy
10

11
opcode 0x35 → adjusted = 40
12
              operation_advance = 40 / 14 = 2  → address += 2
13
              line_increment = -5 + (40 % 14) = -5 + 12 = 7  → line += 7
14
              copy

1바이트가 세 연산. C 코드의 일반적 패턴 — 한 줄 코드가 평균 3-5 명령어, 다음 줄 — 에 정확히 맞춰 설계됨.

#실행 예 — 짧은 함수

C 소스:

1
// main.cpp:1
2
int square(int x) {        // 1
3
    return x * x;          // 2
4
}                          // 3

컴파일러 출력 (x86-64, -O0).

1
0x401120 push %rbp            # prologue
2
0x401121 mov  %rsp, %rbp
3
0x401124 mov  %edi, -0x4(%rbp)
4
0x401127 mov  -0x4(%rbp), %eax
5
0x40112a imul -0x4(%rbp), %eax
6
0x40112e pop  %rbp            # epilogue
7
0x40112f ret

DWARF line program (의사 코드).

1
DW_LNE_set_address    0x401120
2
DW_LNS_advance_line   1        ; line = 2
3
DW_LNS_set_prologue_end
4
DW_LNS_copy                    ; emit (0x401120, line=2, prologue_end)
5
[Special opcode]               ; address += 7, line += 0, copy
6
                               ; emit (0x401127, line=2)
7
[Special opcode]               ; address += 7, line += 1, copy
8
                               ; emit (0x40112e, line=3)
9
DW_LNE_end_sequence

10개 매핑이 약 12바이트.

#addr2line의 안쪽

1
// 의사 코드
2
int addr2line(elf *e, uint64_t target_pc) {
3
    for_each_cu(cu) {
4
        line_program *prog = get_line_program(cu);
5
        run_vm(prog, [](LineRow row) {
6
            if (row.address > target_pc) stop();
7
            // 또는 sequence가 PC 이상 첫 번째 행 직전을 보고
8
        });
9
    }
10
}

VM을 실행하면서 각 emit마다 target_pc와 비교. target_pc 이상의 첫 번째 행 직전이 답.

1
PC          file:line
2
0x401120    main.cpp:2
3
0x401127    main.cpp:2
4
0x40112e    main.cpp:3
5

6
target = 0x401125 → 0x401120 ≤ 0x401125 < 0x401127 → main.cpp:2
7
target = 0x40112d → main.cpp:2
8
target = 0x4011f0 → 다음 sequence

.debug_aranges 인덱스가 있으면 첫 CU 검색이 빠릅니다. 없으면 전체 CU 순회.

1
$ llvm-dwarfdump --debug-aranges my_prog | head -10
2
.debug_aranges contents:
3
Address Range Header: length = 0x0000002c, format = DWARF32, version = 0x0002
4
                     cu_offset = 0x00000000, addr_size = 0x08, seg_size = 0x00
5
[0x0000000000401120, 0x0000000000401200)

각 CU의 주소 범위. addr2line이 그 범위만 line program 실행.

#인라인 — DWARF 5의 길

인라인된 함수의 줄 정보는 부모 함수의 line program에 같이 들어갑니다. PC 한 점이 여러 (file, line) 매핑을 가질 수 있어 보이지만 — 실제로는 가장 안쪽 인라인의 source만 line program이 표시.

그렇다면 (inlined by) foo at f.cpp:10 같은 정보는? 그건 .debug_info의 DW_TAG_inlined_subroutine에서 옵니다 (Ch 2).

1
$ addr2line -e my_prog -f -i -p 0x401134
2
foo at f.cpp:10
3
 (inlined by) bar at g.cpp:30
4
 (inlined by) main at main.cpp:13

-i(inline)은 line program + DW_TAG_inlined_subroutine 조합으로 호출 체인 재구성.

#is_stmt — BP 가능 위치

is_stmt = 1인 행만 문장 시작. GDB의 줄 단위 BP는 is_stmt만 후보로 봅니다.

1
int f() {
2
    return a + b;     // 이 줄에 BP → 어느 명령에 걸리나?
3
}

컴파일러는 최적의 BP 위치를 is_stmt=1로 표시. 보통은 문장 시작 명령어. 인라인이 많은 코드에서는 is_stmt가 적게 표시돼 “BP가 그 줄에 못 걸린다”가 됨.

-Og는 더 많은 위치에 is_stmt=1을 표시 — 디버깅이 쉬워지는 이유.

#Discriminator — 같은 줄의 구분자

C++ 한 줄에 여러 호출이 있을 때:

1
int x = a() + b() + c();    // line 5

세 호출 모두 line 5이지만 다른 명령어. 각 호출 사이트의 discriminator를 다른 값으로 두면 GDB가 구분 가능.

1
PC          file:line:discriminator
2
0x401120    main.cpp:5:0     ← line 시작
3
0x401130    main.cpp:5:1     ← a() 호출 후
4
0x401135    main.cpp:5:2     ← b() 호출 후
5
0x40113a    main.cpp:5:3     ← c() 호출 후

info line main.cpp:5가 세 후보를 보여 줌. profiler/coverage 도구가 호출 site별 통계를 낼 수 있게 함.

#prologue_end / epilogue_begin

1
void f() {
2
    // prologue:
3
    //   push rbp; mov rbp, rsp; sub rsp, 16
4
    //   ↑ 이 명령들은 함수 진입 setup, *사용자 코드 아님*
5

6
    do_work();     // ← prologue_end가 *여기* 첫 명령에 marked
7

8
    // epilogue:
9
    //   mov rsp, rbp; pop rbp; ret
10
    //   ↑ epilogue_begin이 *여기* 첫 명령에 marked
11
}

break f는 prologue 전이 아닌 prologue_end 첫 명령에 BP. 그래서 인자가 이미 스택에 있는 시점부터 디버깅 가능.

#.debug_line_str — DWARF 5

DWARF 4까지는 line program 안의 파일/디렉터리 이름이 인라인 NUL-terminated. DWARF 5는 .debug_line_str 풀로 분리해 중복 제거.

.debug_line_str:

• 0x00: “main.cpp\0”
• 0x09: “src\0”
• 0x0d: “include\0”

line program:

• directory[0] = strp(0x09) ← “src”
• file[1] = { path: strp(0x00), dir: 0 } ← “src/main.cpp”

큰 프로젝트에서 같은 디렉터리·파일 이름이 수백 CU에 반복되므로 효과 큼.

#직접 디코딩 — pyelftools

1
from elftools.elf.elffile import ELFFile
2

3
with open('my_prog', 'rb') as f:
4
    elf = ELFFile(f)
5
    dwarf = elf.get_dwarf_info()
6
    target = 0x401234
7

8
    for cu in dwarf.iter_CUs():
9
        lineprog = dwarf.line_program_for_CU(cu)
10
        prev = None
11
        for entry in lineprog.get_entries():
12
            if entry.state is None: continue
13
            s = entry.state
14
            if prev and prev.address <= target < s.address:
15
                file_idx = prev.file
16
                file_entry = lineprog['file_entry'][file_idx - 1]
17
                print(f"{file_entry.name.decode()}:{prev.line}")
18
                exit()
19
            prev = s

이 방식으로 자체 crash log 분석 도구를 작성하거나, coverage를 자체 측정.

#다른 도구

1
# 기본 도구
2
$ addr2line -e my_prog 0x401234
3
main.cpp:42
4

5
# 함수 이름 포함
6
$ addr2line -e my_prog -f 0x401234
7
process_data
8
main.cpp:42
9

10
# 인라인 체인까지
11
$ addr2line -e my_prog -f -i -p 0x401234
12
process_data at main.cpp:42
13
 (inlined by) main at main.cpp:60
14

15
# 여러 주소 한 번에
16
$ addr2line -e my_prog 0x401120 0x401200 0x401300
17

18
# stdin에서
19
$ echo 0x401234 | addr2line -e my_prog
20

21
# raw line program 보기
22
$ llvm-dwarfdump --debug-line my_prog | less
23
$ readelf --debug-dump=decodedline my_prog | less
24
$ readelf --debug-dump=line my_prog | less    # raw opcode
25

26
# Python으로
27
$ python3 -c "from elftools.elf.elffile import ELFFile; ..."

#stack trace 후처리

crash log에 PC만 있고 심볼·줄 정보가 없을 때.

crash log:

Backtrace:

• #0 0x0000000000401234
• #1 0x000000000040122a
• #2 0x0000000000401180

1
$ for addr in 0x401234 0x40122a 0x401180; do
2
    echo -n "$addr → "
3
    addr2line -e my_prog -f -i -p $addr
4
done
5

6
0x401234 → process_data at main.cpp:42
7
 (inlined by) main at main.cpp:60
8
0x40122a → start_handler at handler.cpp:12
9
0x401180 → main at main.cpp:20

운영에서 stripped 바이너리 + build-id 매칭된 debug 파일로 같은 일을 합니다.

#호환성 — -g1 / line-tables-only

큰 프로젝트에서 전체 DWARF는 매우 큽니다. line program만 필요한 경우 (crash log 분석)에는.

1
$ clang -gline-tables-only -O2 ...

.debug_info, .debug_loc, .debug_ranges가 거의 비어 있고 .debug_line만. 크기는 1/10 이하. addr2line은 정상 동작.

print x는 못 하지만 bt의 줄 번호는 나옵니다. 운영 빌드의 표준 옵션.

#DWARF 5의 변화 요약

• .debug_line_str 추가 → 문자열 풀 분리.
• File table 0번부터 유효.
• DW_LNCT_* content type → 유연한 file entry format.
• DW_LNCT_MD5로 소스 무결성 검사.

#정리

• .debug_line은 (PC, file, line, …) 행을 표현하는 바이트코드 VM.
• 상태 머신 레지스터를 갱신하며 DW_LNS_copy로 한 행씩 emit.
• 표준 opcode + 확장 opcode + 특수 opcode (한 바이트로 세 연산).
• 압축비가 매우 높음 — 수천 행이 수십~수백 바이트.
• is_stmt가 BP 가능 위치 표시 — -Og로 늘림.
• discriminator로 같은 줄의 호출 site 구분.
• prologue_end/epilogue_begin으로 함수 진입/종료 정밀 표시.
• addr2line이 VM을 실행하며 PC 검색.
• DWARF 5는 .debug_line_str + MD5로 한 단계 더 효율.

#다음 장 예고

Ch 4 — .debug_loc / .debug_loclists의 DWARF expression VM. 변수가 어디 있는지를 표현하는 또 다른 바이트코드 머신.

#관련 항목

• Ch 2: DWARF 개관
• Ch 4: DWARF expression VM
• DWARF 5 § 6.2 (Line Number Information)
• addr2line(1) man page
• Eli Bendersky — DWARF line number programs