Python Pdb 源码解析

 

经常使用Python的同学一定熟悉pdb模块，它是Python官方标准库提供的交互式代码调试器，和任何一门语言提供的调试能力一样，pdb提供了源代码行级别的设置断点、单步执行等常规调试能力，是Python开发的一个很重要的工具模块。

pdb使用方法见官方文档，本文重点分析官方pdb模块源码，介绍调试功能的实现原理。

原理

从cPython源码中可以看到，pdb模块并非c实现的内置模块，而是纯Python实现和封装的模块。核心文件是 pdb.py，它继承自bdb和cmd模块：

class Pdb(bdb.Bdb, cmd.Cmd):     ... 

基本原理：利用cmd模块定义和实现一系列的调试命令的交互式输入，基于sys.settrace插桩跟踪代码运行的栈帧，针对不同的调试命令控制代码的运行和断点状态，并向控制台输出对应的信息。

cmd模块主要是提供一个控制台的命令交互能力，通过raw_input/readline这些阻塞的方法实现输入等待，然后将命令交给子类处理决定是否继续循环输入下去，就和他主要的方法名runloop一样。

cmd是一个常用的模块，并非为pdb专门设计的，pdb使用了cmd的框架从而实现了交互式自定义调试。

bdb提供了调试的核心框架，依赖sys.settrace进行代码的单步运行跟踪，然后分发对应的事件（call/line/return/exception）交给子类（pdb）处理。bdb的核心逻辑在对于调试命令的中断控制，比如输入一个单步运行的"s"命令，决定是否需要继续跟踪运行还是中断等待交互输入，中断到哪一帧等。

基本流程

• pdb启动，当前frame绑定跟踪函数trace_dispatch

def trace_dispatch （ self ， frame， event， arg） ：

如果自我.退出：

返回 # 无

如果事件 == '行' ：

返回自.dispatch_line（帧）

如果事件 == '调用' ：

返回自.dispatch_call（帧，arg）

如果事件 == '返回' ：

返回自.dispatch_return（帧，参数）

如果事件 == '异常' ：

...

• 每一帧的不同事件的处理都会经过中断控制逻辑，主要是stop_here（line事件还会经过break_here）函数，处理后决定代码是否中断，需要中断到哪一行。

• 如需要中断，触发子类方法user_#event，子类通过interaction实现栈帧信息更新，并在控制台打印对应的信息，然后执行cmdloop让控制台处于等待交互输入。

def interaction （ self ， frame， traceback） ：

self .setup（frame， traceback） # 当前栈、frame、local vars

self .print_stack_entry（ self .stack[ self .curindex]）

self .cmdloop（）

self .forget（）

• 用户输入调试命令如"next"并回车，首先会调用set_#命令，对stopframe、returnframe、stoplineno进行设置，它会影响中断控制'''stop_here''的逻辑，从而决定运行到下一帧的中断结果。

def _set_stopinfo （ self ， stopframe， returnframe， stoplineno= 0 ） ：

自.stopframe = stopframe

self .returnframe = returnframe

self .quitting =  0

# stoplineno >= 0 表示： 停在>线 = stoplineno

# stoplineno -1 的意思是：根本不停止

self .stoplineno = stoplineno

对于调试过程控制类的命令，一般do_#命令都会返回1，这样本次runloop立马结束，下次运行到某一帧触发中断会再次启动runloop（见第三点）;对于信息获取类的命令，do_#命令都没有返回值，保持当前的中断状态。

• 代码运行到下一帧，重复第三点。

中断控制

中断控制也就是对于不同的调试命令输入后，能让代码执行到正确的位置停止，等待用户输入，比如输入"s"控制台就应该在下一个运行frame的代码处停止，而输出"c"就需要运行到下一个打断点的地方。

中断控制发生在sys.settrace的每一步跟踪的中，是调试运行的核心逻辑。

pdb中主要跟踪了frame的四个事件：

• line：同一个frame中的顺序执行事件

• call：发生函数调用，跳到下一级的frame中，在函数第一行产生call事件

• return：函数执行完最后一行（line），发生结果返回，即将跳出当前frame回到上一级frame，在函数最后一行产生return事件

• exception：函数执行中发生异常，在异常行产生exception事件，然后在该行返回（return事件），接下来一级一级向上在frame中产生exception和return事件，直到回到底层frame。

它们是代码跟踪时的不同节点类型，pdb根据用户输入的调试命令，在每一步帧跟踪时都会进行中断控制，决定接下来是否中断，中断到哪一行。中断控制的主要方法是stop_here：