DWARF .debug_loc 분석 — Variable Location Expression VM

print x라고 했을 때 GDB는 x가 지금 어디 있는지 어떻게 알까요. 답은 .debug_loc (DWARF 4) 또는 .debug_loclists (DWARF 5) 안의 DWARF expression — 또 하나의 바이트코드 스택 머신.

이 장은 그 VM의 정체를 다룹니다. 왜 변수 위치가 식이어야 하는지, 모든 DW_OP_* opcode의 의미, location list로 PC 구간별 다른 위치를 표현하는 법, 그리고 DWARF 5의 DW_OP_entry_value가 어떻게 “optimized out” 문제를 줄였는지.

#왜 표현식인가

단순히 주소만 저장하면 안 될까? 안 됩니다. 같은 변수가 코드 위치에 따라 다른 곳에 있을 수 있기 때문.

1
int main(int argc, char *argv[]) {
2
    int x = argc + 1;   // x는 어디? rax 레지스터일 수도, 스택일 수도
3
    printf("%d\n", x);  // x는 또 어디? rsi에 들어갔다가 함수 호출 후 사라짐
4
    x++;                // 다시 rax? 또는 스택? 또는 *사라짐*?
5
    return x;
6
}

컴파일러가 -O2로 최적화하면 변수가 PC 위치별로 다른 곳에 있거나, 어디에도 없거나, 여러 조각으로 쪼개져 있을 수 있습니다. 이를 표현하려면 단순 주소가 아닌 식이 필요.

#스택 머신

DWARF expression은 스택 머신의 명령어 시퀀스.

• 명령이 스택을 조작 (push, pop, 산술 등).
• 마지막에 스택 top이 결과 — 그 변수의 주소 (또는 값 자체).
• 평가 끝에 스택이 비어 있을 수도 있음 (특수 opcode).

각 줄이 한 변수의 위치 표현. 단순한 경우는 1-2 opcode, 복잡한 경우 10+.

#Opcode 카탈로그

100+ opcode가 있지만 자주 보이는 것 정리.

#Literal — 상수 push

#레지스터 — 값이 레지스터에

#메모리 접근

#산술

#스택 조작

#비교 / 제어

#결과 표현 — 메모리 / 값 / 조각

기본적으로 스택 top = 메모리 주소. DW_OP_stack_value가 있으면 스택 top = 값 자체. DW_OP_piece는 조각을 표현.

#실제 예 — 단순한 케이스

1
DW_AT_location = DW_OP_fbreg -16

frame base (보통 CFA) - 16 주소에 변수. 스택 변수의 가장 일반적 표현.

1
DW_AT_location = DW_OP_reg5

값이 r5 레지스터. 주소가 아니라 값 자체. 함수 인자에 흔함.

1
DW_AT_location = DW_OP_addr 0x600100

.data 또는 .bss에 있는 전역 변수.

1
DW_AT_location = DW_OP_breg6 -8

r6 - 8 주소에 변수. r6이 frame pointer가 아닐 때.

#복잡한 예 — 조각난 변수

ARM의 32-bit 아키텍처에서 64-bit long long은 두 레지스터에 쪼개질 수 있음.

1
DW_AT_location = DW_OP_reg0 DW_OP_piece 4 DW_OP_reg1 DW_OP_piece 4

• 저 4바이트: r0.
• 위 4바이트: r1.

GDB가 print my_ll하면 두 레지스터를 읽어 8바이트로 조합.

#더 복잡 — implicit value

값이 컴파일 시 결정되어 메모리/레지스터 어디에도 없음.

1
DW_AT_location = DW_OP_constu 42 DW_OP_stack_value

x = 42로 상수 폴딩된 경우. GDB는 print x에 42로 답.

또는 block of bytes (DWARF 4).

1
DW_AT_location = DW_OP_implicit_value 8 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08

8바이트 값 0x0807060504030201 (little-endian). 큰 struct나 SIMD vector가 컴파일 시 알려진 경우.

#DW_OP_entry_value — DWARF 5의 게임 체인저

함수 진입 시 인자가 r0에 있지만, 본문 중간에 r0이 다른 용도로 재사용되면 원래 인자값이 사라집니다. 이전 DWARF는 그 시점부터 “optimized out”.

DWARF 5는 함수 진입 시점의 표현식 값을 보존:

1
DW_AT_location = DW_OP_entry_value <block: DW_OP_reg0> DW_OP_stack_value

“이 변수의 값은 함수 진입 시 r0의 값”. 디버거는 콜스택의 호출자 측 정보에서 r0이 그 시점에 무엇이었는지 알아내 (CFI 또는 호출 사이트 메타) 값을 복원.

1
(gdb) print arg
2
$1 = 42         ← 본문에선 r0이 사라졌어도 entry value로 복원

GCC 8+ / Clang 11+가 광범위 사용. <optimized out> 발생률이 크게 줄어듭니다.

#DW_OP_implicit_pointer — 포인터가 사라짐

1
void f() {
2
    int x = 10;
3
    int *p = &x;       // p는 &x를 가리키지만 컴파일러가 *p를 인라인해 p 변수 자체를 제거
4
    use(*p);
5
}

p는 변수로 존재하지 않지만 GDB로 print p 또는 print *p를 의미 있게 답하고 싶을 때.

1
DW_AT_location = DW_OP_implicit_pointer ref(x_DIE) 0

“p는 x의 DIE를 가리키는 포인터, offset 0”. GDB는 *p에 x의 위치에서 값을 가져옵니다.

#DW_OP_call_frame_cfa

1
DW_AT_location = DW_OP_call_frame_cfa DW_OP_consts -16 DW_OP_plus

“CFA - 16”. CFA(Canonical Frame Address) = 현재 프레임의 호출자 측 SP. DW_AT_frame_base에 자주 사용.

#Location List

PC 위치별로 다른 위치를 가지는 변수.

.debug_loc (DWARF 4):

• [0x401120, 0x40112f): DW_OP_reg0 ← r0에
• [0x40112f, 0x401140): DW_OP_fbreg -16 ← 스택으로 spill
• [0x401140, 0x401160): (empty) ← 사라짐
• [0x401160, 0x401180): DW_OP_reg5 ← r5로 다시

DW_AT_location이 list면 .debug_loc로의 offset (DW_FORM_sec_offset). GDB가 PC를 보고 적절한 entry 선택.

빈 entry (empty) 구간이 optimized out. -O2 + 변수 추적이 어려운 경우 흔함.

#DWARF 5 — .debug_loclists

DWARF 4의 .debug_loc은 모든 location list를 한 섹션에 둠. DWARF 5는 CU별 인덱스로 분리 + 더 압축된 형식.

.debug_loclists:

• CU offset → list 시작

각 entry:

• DW_LLE_offset_pair: low_pc, high_pc (CU base 기준)
• DW_LLE_base_address: 새 base 설정
• DW_LLE_start_end: 절대 주소
• DW_LLE_default_location: PC와 무관, default
• DW_LLE_end_of_list: 끝

base address 트릭이 핵심 — 대부분의 PC는 가까이에 있으므로 상대 offset만 저장. 같은 long range를 표현하는 데 바이트가 절반.

#DW_AT_location 평가 흐름

1
// 의사 코드
2
Value evaluate_location(DIE var_die, uint64_t pc) {
3
    auto loc = var_die.attr(DW_AT_location);
4

5
    if (loc.form == DW_FORM_exprloc) {
6
        // 단일 표현식
7
        return run_expr_vm(loc.expr);
8
    } else if (loc.form == DW_FORM_sec_offset) {
9
        // location list
10
        auto entry = find_entry_for_pc(loc.offset, pc);
11
        if (entry.empty) return Value::optimized_out();
12
        return run_expr_vm(entry.expr);
13
    }
14
}
15

16
Value run_expr_vm(Bytes expr) {
17
    Stack<Value> stack;
18
    while (expr.has_more()) {
19
        Opcode op = expr.next_byte();
20
        switch (op) {
21
        case DW_OP_lit0..lit31:
22
            stack.push(op - DW_OP_lit0); break;
23
        case DW_OP_reg0..reg31:
24
            return Value::in_register(op - DW_OP_reg0);
25
        case DW_OP_breg0..breg31: {
26
            int64_t offset = decode_sleb128(expr);
27
            uint64_t reg_val = read_register(op - DW_OP_breg0);
28
            stack.push(reg_val + offset);
29
            break;
30
        }
31
        case DW_OP_fbreg: {
32
            int64_t offset = decode_sleb128(expr);
33
            uint64_t fb = evaluate_frame_base();
34
            stack.push(fb + offset);
35
            break;
36
        }
37
        case DW_OP_plus:
38
            stack.push(stack.pop() + stack.pop()); break;
39
        case DW_OP_stack_value:
40
            return Value::implicit(stack.pop());
41
        case DW_OP_piece: {
42
            uint64_t size = decode_uleb128(expr);
43
            // 누적 — 위에서 본 표현식이 size 바이트 조각
44
            ...
45
        }
46
        ...
47
        }
48
    }
49
    return Value::at_address(stack.top());
50
}

평가 끝에 스택 top이 주소 (그 주소를 deref해 값). DW_OP_stack_value 만나면 값 자체. DW_OP_piece 누적되면 여러 조각의 모음.

#Type-aware 표현 (DWARF 5)

이전 DWARF는 모든 산술이 generic 64-bit. DWARF 5는 typed opcode:

1
DW_OP_const_type    <type_die>, <byte_size>, <bytes>
2
DW_OP_regval_type   <reg>, <type_die>
3
DW_OP_deref_type    <byte_size>, <type_die>
4
DW_OP_convert       <type_die>
5
DW_OP_reinterpret   <type_die>

float, int8, int16 등 정확한 타입으로 산술 가능 → 더 정확한 표현. 잘 안 쓰이지만 일부 컴파일러는 활용.

#frame_base 표현

함수의 DW_AT_frame_base도 expression.

1
DW_AT_frame_base = DW_OP_reg6     ← rbp 그대로
2
DW_AT_frame_base = DW_OP_call_frame_cfa   ← CFI의 CFA
3
DW_AT_frame_base = DW_OP_breg7 16  ← rsp + 16

DW_OP_fbreg가 이걸 평가한 결과를 base로 사용.

#DW_OP_GNU_* — 벤더 확장

DWARF 5에 들어오기 전 GCC가 먼저 도입한 opcode들.

오래된 GDB는 GNU만 알고, 최신은 둘 다. 호환성을 위해 컴파일러가 한쪽을 출력.

#디코딩 도구

1
# 한 변수의 location
2
$ llvm-dwarfdump --debug-info my_prog | grep -A 5 'DW_TAG_variable'
3

4
# 모든 location list
5
$ llvm-dwarfdump --debug-loclists my_prog | head -50
6
$ llvm-dwarfdump --debug-loc my_prog | head -50      # DWARF 4
7

8
# raw expression bytes
9
$ readelf --debug-dump=info my_prog | grep -A 2 DW_AT_location

pyelftools.

1
from elftools.dwarf.descriptions import describe_attr_value
2
from elftools.dwarf.locationlists import LocationParser
3

4
for cu in dwarf.iter_CUs():
5
    parser = LocationParser(dwarf.location_lists())
6
    for die in cu.iter_DIEs():
7
        if die.tag != 'DW_TAG_variable': continue
8
        loc_attr = die.attributes.get('DW_AT_location')
9
        if not loc_attr: continue
10
        loc = parser.parse_from_attribute(loc_attr, cu['version'], die=die)
11
        # loc은 LocationExpr 또는 LocationList
12
        print(die.attributes['DW_AT_name'].value.decode(), '@', loc)

자체 도구로 변수가 어디 살아 있는지 코드 영역별 통계를 낼 수 있습니다 — 최적화로 인한 가시성 분석.

#진단 — “optimized out”

1
(gdb) print x
2
$1 = <optimized out>

원인 셋.

1. 현재 PC에 해당하는 location list entry가 비어 있음.
2. 변수가 spill됐는데 DWARF가 그 시점을 안 표시.
3. 컴파일러가 완전히 제거해 location 자체가 없음.

해법.

• -Og 빌드 → 더 많은 PC에 location 표시.
• -g3 → 매크로 정보 + 더 풍부한 DWARF.
• DWARF 5의 DW_OP_entry_value로 함수 진입값 보존.
• 정 안되면 어셈블리 보고 레지스터 직접 (GDB Ch 11).

#DWARF 5의 implicit value 활용

1
constexpr int kMax = 100;

constexpr은 컴파일 시 결정. 컴파일러는 변수 자체를 안 만들고 사용 위치에 상수로 인라인. DWARF 5의 DW_OP_implicit_value로 그래도 디버거가 보이게 표현.

1
DW_TAG_variable [kMax]
2
  DW_AT_name = "kMax"
3
  DW_AT_const_value = 100

또는

1
  DW_AT_location = DW_OP_constu 100 DW_OP_stack_value

print kMax가 100을 답.

#정리

• DWARF expression이 스택 머신 바이트코드.
• DW_OP_reg*/DW_OP_breg*/DW_OP_fbreg/DW_OP_addr이 가장 흔함.
• DW_OP_stack_value로 값 자체 표현.
• DW_OP_piece로 조각난 변수 (32-bit 환경의 64-bit 등).
• DW_OP_implicit_value로 컴파일 시 결정된 상수.
• DW_OP_entry_value (DWARF 5)가 함수 진입값 보존 → optimized out 감소.
• Location list로 PC 구간별 다른 위치.
• DWARF 5의 .debug_loclists가 더 압축된 형식.
• pyelftools로 자체 가시성 분석.

#다음 장 예고

Ch 5 — CFI (.debug_frame / .eh_frame). 콜스택을 어떻게 거꾸로 풀어 가는지의 답.

#관련 항목

• Ch 3: .debug_line 바이트코드 VM
• Ch 5: CFI — .debug_frame / .eh_frame
• DWARF 5 § 2.5 (DWARF Expressions)
• DW_OP_* 카탈로그 — DWARF 5 § 2.5.1
• pyelftools location parser