Chrome DevTools 远程调试协议分析及实战

winty

发布于 2020-04-26 11:31:56

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发布于 2020-04-26 11:31:56

文章被收录于专栏：前端Q

Chrome DevTools 可以说是前端开发最常用的工具，无论是普通页面、移动端 webview、小程序、甚至 node 应用，都可以用它来调试。

Chrome DevTools 提供的功能非常丰富，包含 DOM、debugger、网络、性能等许多能力。

为什么 Chrome DevTools 能够适用这么多场景？如何把 Chrome DevTools 移植到新的应用场景？Chrome DevTools 提供的功能我们能不能拆解出模块单独使用？今天我们来尝试探索这些问题。

Chrome DevTools 组成

Chrome DevTools 包括四个部分:

调试器协议：devtools-protocol[1]，基于 json rpc 2.0。
调试器后端：实现了调试协议的可调试实体，例如 chrome、node.js。
调试器前端：通常指内嵌在 chrome 中的调试面板，通过调试器协议和调试器后端交互，除此之外还有 Puppeteer[2]，ndb[3] 等。
消息通道：前后端通信方式，例如 websocket、usb、adb 等，本质都是 socket 通信。

Chrome DevTools

我们可以看到，Chrome DevTools 的核心是调试器协议。

Chrome DevTools Protocol

协议按域「Domain」划分能力，每个域下有 Method、Event 和 Types。

Method 对应 socket 通信的请求/响应模式，Events 对应 socket 通信的发布/订阅模式，Types 为交互中使用到的实体。

例如：

# https://chromedevtools.github.io/devtools-protocol/1-3/Log
Log Domain 

Provides access to log entries.

Methods

Log.clear
Log.disable
Log.enable
Log.startViolationsReport
Log.stopViolationsReport

Events

Log.entryAdded

Types

LogEntry
ViolationSetting

一个调试器后端，应当实现对 Method 的响应，并在适当的时候发布 Event。

一个调试器前端，应当使用 Method 请求需要的数据，订阅需要的 Event。

browser_protocol & js_protocol

协议分为 browser_protocol[4] 和 js_protocol[5] 两种。

browser_protocol 是浏览器后端使用，js_protocol 是 node 后端使用。除此之外，还有对应的 Typescript 类型定义[6]。

js_protocol 只有以下四个域「Console、Schema 已废弃」：

Debugger
Profiler
Runtime 「js Runtime」
HeapProfiler

能力比 browser_protocol 少很多，这是因为页面有相对固定的工作模式，node 应用却千差万别。

browser_protocol 主要有以下几个域：

DOM
DOMDebugger
Emulation 「环境模拟」
Network
Page
Performance
Profiler

涉及了页面开发的方方面面。

Chrome DevTools Frontend

devtools-frontend 即调试器前端，我们平常使用的调试面板，其源码可以从 ChromeDevTools/devtools-frontend[7] 获得。我们先来看一下它是怎么工作的。

项目结构

从 ChromeDevTools/devtools-frontend[8] 下载源码后，我们进入 front_end 目录，可以看到如下结构：

# tree -L 1
.
├── accessibility
├── accessibility_test_runner
│   ├── AccessibilityPaneTestRunner.js
│   └── module.json
├── animation
├── application_test_runner
├── axe_core_test_runner
...
├── input
├── inspector.html
├── inspector.js
├── inspector.json
├── network
├── network_test_runner
├── node_app.html
├── node_app.js
├── node_app.json
├── worker_app.html
├── worker_app.js
└── worker_app.json

front_end 目录下的每一个 json 文件会有一个同名的 js 文件，有的还会有一个同名的 html 文件。

它们都代表一个应用，如 inspector.json 是其配置文件。如果此应用有界面，则带有 html，可以在浏览器中打开 html 运行应用。

我们可以看到熟悉的应用，inspector、node、devtools、ndb 等等。

devtools_app 即我们常用的调试面板，如图所示：

devtools

inspector 在 devtools_app 基础上增加了页面快照，可以实时看到页面的变化，并且可以在页面快照上交互，如图所示：

inspector

以 devtools_app 为例，我们来看配置文件的语义：

// devtools_frontend/front_end/devtools_app.json
{
  "modules" : [
    { "name": "emulation", "type": "autostart" },
    { "name": "inspector_main", "type": "autostart" },
    { "name": "mobile_throttling", "type": "autostart" },
    ...
    { "name": "timeline" },
    { "name": "timeline_model" },
    { "name": "web_audio" },
    { "name": "media" }
  ],
  "extends": "shell",
  "has_html": true
}

modules 表示此应用包含的模块，每个模块都对应 front_end 目录下的一个目录。
extends 表示此应用是否继承自另外一个应用，devtools_app 继承自 shell 应用，我们可以在 front_end 目录下看到 shell.js、shell.json。
has_html 表示此应用有 html 界面，即同名的 devtools_app.json。

我们再来看一下模块，所有的模块都平级放在 front_end 目录下，不存在嵌套，每个模块都有一个 module.json 文件，表示此模块的配置。

{
    "extensions": [
        {
            "type": "view",
            "location": "drawer-view"
        }
    ],
    "dependencies": [
        "elements"
    ],
    "scripts": [],
    "modules": [
        "animation.js",
        "animation-legacy.js",
        "AnimationUI.js"
    ],
    "resources": [
        "animationScreenshotPopover.css",
        "animationTimeline.css"
    ]
}

extensions 表示此模块的自定义属性。
dependencies 表示此模块依赖的模块。
modules 表示此模块包括的 js 文件。
resources 表示此模块包括的静态资源，主要是 css。

之所以有这些配置，是因为，front_end 有自己的一套模块加载逻辑，和通常的 node 应用和前端应用都不一样。

初始化

front_end 各个应用初始化的过程类似，基本如下：

从对应的 json 文件中加载配置，并根据配置加载需要的模块

// devtools-frontend/front_end/RuntimeInstantiator.js
export async function startApplication(appName) {
  console.timeStamp('Root.Runtime.startApplication');
  const allDescriptorsByName = {};
  for (let i = 0; i < Root.allDescriptors.length; ++i) {
    const d = Root.allDescriptors[i];
    allDescriptorsByName[d['name']] = d;
  }
  if (!Root.applicationDescriptor) {
    // 加载应用配置 <appName>.json
    let data = await RootModule.Runtime.loadResourcePromise(appName + '.json');
    Root.applicationDescriptor = JSON.parse(data);
    let descriptor = Root.applicationDescriptor;
    while (descriptor.extends) {
      // 加载父级配置直到没有父级
      data = await RootModule.Runtime.loadResourcePromise(descriptor.extends + '.json');
      descriptor = JSON.parse(data);
      Root.applicationDescriptor.modules = descriptor.modules.concat(Root.applicationDescriptor.modules);
    }
  }
  const configuration = Root.applicationDescriptor.modules;
  const moduleJSONPromises = [];
  const coreModuleNames = [];
  for (let i = 0; i < configuration.length; ++i) {
    const descriptor = configuration[i];
    const name = descriptor['name'];
    const moduleJSON = allDescriptorsByName[name];
    // 根据每个模块的 module.json 加载模块
    if (moduleJSON) { 
      moduleJSONPromises.push(Promise.resolve(moduleJSON));
    } else {
      moduleJSONPromises.push(
          RootModule.Runtime.loadResourcePromise(name + '/module.json').then(JSON.parse.bind(JSON)));
    }
  }
    // ...
}

实例化模块

虽然 js 代码都是通过 import 来引用依赖，但是 front_end 并非使用 import 来加载模块，而是自己写了一个模块加载逻辑，先请求模块文件，然后在根据依赖关系把代码 eval。

// devtools-frontend/front_end/root/Runtime.js
function evaluateScript(sourceURL, scriptSource) {
    loadedScripts[sourceURL] = true;
    if (!scriptSource) {
      // Do not reject, as this is normal in the hosted mode.
      console.error('Empty response arrived for script \'' + sourceURL + '\'');
      return;
    }
    self.eval(scriptSource + '\n//# sourceURL=' + sourceURL);
}

模块加载完成后，才是真正的初始化

作为调试器前端，socket 通信是不可或缺的，初始化的主要工作就是对调试器后端建立 socket 连接，准备好调试协议。

对于页面应用来说，还需要初始化 UI，front_end 未使用任何渲染框架，全部都是原生 DOM 操作。

// devtools-frontend/front_end/main/MainImpl.js
new MainImpl(); // 初始化SDK(协议)，初始化socket连接，初始化通信

应用

远程调试

我们可以用 front_end 来实现远程调试页面，例如：用户在自己的 PC、APP 上操作页面，开发人员在另外一台电脑上观察页面、网络、控制台里发生的变化，甚至通过协议控制页面。

开启调试端口

不同后端打开调试端口的方式不同，以 chrome 为例：

chrome 和内嵌的调试面板使用 Embedder channel 通信，这个消息通道不能被用来做远程调试，远程调试我们需要使用 websocket channel。

使用 websocket channel 我们还需要打开 chrome 的远程调试端口，以命令行参数 remote-debugging-port 打开 chrome。

[path]/chrome.exe --remote-debugging-port=9222

或者使用脚本 devtools-frontend/scripts/hosted_mode/launch_chrome.js。

调试端口打开后，chrome 会启动一个内置的 http 服务，我们可以从中获取 chrome 的基本信息，其中最重要的是各个 tab 页的 websocket 通信地址。

chrome 提供的 http 接口如下，访问方式全部为 GET：

/json/protocol 获取当前 chrome 支持的协议，协议为 json 格式。
/json/list 获取可调试的目标列表，一般每个 tab 就是一个可调试目标，可调试目标的 webSocketDebuggerUrl 属性就是我们需要的 websocket 通信地址。例如：

[{
   "description": "",
   "devtoolsFrontendUrl": "/devtools/inspector.html?ws=localhost:9222/devtools/page/8ED9DABCE2A6BD36952657AEBAA0DE02",
   "faviconUrl": "https://github.githubassets.com/favicon.ico",
   "id": "8ED9DABCE2A6BD36952657AEBAA0DE02",
   "title": "GitHub - Unitech/pm2: Node.js Production Process Manager with a built-in Load Balancer.",
   "type": "page",
   "url": "https://github.com/Unitech/pm2",
   "webSocketDebuggerUrl": "ws://localhost:9222/devtools/page/8ED9DABCE2A6BD36952657AEBAA0DE02"
}]

/json/new 创建新的 tab 页
/json/activate/:id 根据 id 激活 tab 页
/json/close/:id 根据 id 关闭 tab 页
/json/version 获取浏览器/协议/v8/webkit 版本，例如：

{
   "Browser": "Chrome/80.0.3987.149",
   "Protocol-Version": "1.3",
   "User-Agent": "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/80.0.3987.149 Safari/537.36",
   "V8-Version": "8.0.426.27",
   "WebKit-Version": "537.36 (@5f4eb224680e5d7dca88504586e9fd951840cac6)",
   "webSocketDebuggerUrl": "ws://localhost:9222/devtools/browser/ad007235-aa36-4465-beb1-70864067ea49"
}

注意：这些接口都不能跨域，可以通过服务器访问，或者直接在浏览器中打开，但是不能使用 ajax 访问。

连接

获取到 webSocketDebuggerUrl 后，我们就可以用此连接来调试页面。front_end 下的 devtool、inspector 等应用均可使用。

观察初始化 socket 链接的代码可以得知，我们需要把 webSocketDebuggerUrl 以 url 参数的形式传给应用，参数名为 ws。

// devtools-frontend/front_end/sdk/Connections.js
export function _createMainConnection(websocketConnectionLost) {
  const wsParam = Root.Runtime.queryParam('ws');
  const wssParam = Root.Runtime.queryParam('wss');
  if (wsParam || wssParam) {
    const ws = wsParam ? `ws://${wsParam}` : `wss://${wssParam}`;
    return new WebSocketConnection(ws, websocketConnectionLost); 
  }
  if (Host.InspectorFrontendHost.InspectorFrontendHostInstance.isHostedMode()) {
    return new StubConnection();
  }
  return new MainConnection();
}

我们在 front_end 目录下启动静态服务器。

serve -p 8002

然后访问 http://localhost:8002/inspector?ws=localhost:9222/devtools/page/8ED9DABCE2A6BD36952657AEBAA0DE02

我们可以看到页面上的一切变化都会出现在 inspector 的界面中。

跨域

如果前端和后端都在同一网段，我们使用以上方式就可以进行调试了，但是如果前后端在不同的内网内，我们如何实现远程调试？

只要我们有一台放在公网的服务器就可以调试。

前端和后端都在各自的内网内，因此相互之间肯定无法直接访问。但是它们都可以访问公网的服务器，并且，websocket 是可以跨域的。

因此我们可以通过两次转发，让不同内网的前端和后端交互，具体步骤如下：

创建一个转发用的 websocket 服务，放在公网。
我们在被调试的页面中增加一个自定义的 launcher.js，对公网的 websocket 服务建立连接，把页面的基本信息传递给服务器，同时通过 json/list 接口找出自身的 webSocketDebuggerUrl 建立连接。

注意：因为 json/list 是 http 接口，无法跨域，这一步必须手动获取，然后把 webSocketDebuggerUrl 放在 url 参数上传给 launcher.js

手动获取 webSocketDebuggerUrl

把 front_end 页面 url 的 ws 参数改为公网的 websocket 服务。

这样，我们的 socket 链路上有了四个节点，分别是：

front_end(调试器前端)
公网服务器(server)
laucher.js
debugger(调试器后端)

server 和 laucher 完全作为转发器，转发两边传来的信息，即可实现 front_end 到 debugger 的交互。

注意：如果 front_end 请求了 Network.enable, 就不能把 laucher.js 所在的页面作为调试页面，因为 laucher.js 收到 debugger 传来的数据会触发 Network.webSocketFrameReceived 推送，这个推送本身又会触发 Network.webSocketFrameReceived ，造成无限循环。处理方式有两种，一是拦截掉 Network.enable 请求，这样会取消掉所有的 Network 的推送。二是不把 laucher.js 所在的页面作为调试页面，仅作数据中转用。

远程调试

websocket 服务代码示例：

// server.js
var WebSocketServer = require('websocket').server;
var http = require('http');
var server = http.createServer(function(request, response) {
    response.writeHead(404);
    response.end();
});
server.listen(3232, function() {
    console.log((new Date()) + ' Server is listening on port 3232');
});
wsServer = new WebSocketServer({
    httpServer: server
});
var frontendConnection;
var debugConnection;

wsServer.on('request', async function(request) {
    var requestedProtocols = request.requestedProtocols;
    if(requestedProtocols.indexOf("frontend") != -1){  // 处理来自调试器前端的请求
        frontendConnection = request.accept('frontend', request.origin);
        frontendConnection.on('message', function(message) {
            if (message.type === 'utf8') {
                // 把调试器前端的请求直接转发给被调试页面
                if(debugConnection){
                    debugConnection.sendUTF(message.utf8Data)
                }else{
                    frontendConnection.sendUTF(JSON.stringify({msg:'调试器后端未准备好，先打开被调试的页面'}))
                }  
            }
        })
        frontendConnection.on('close', function(reasonCode, description) {
            console.log('frontendConnection disconnected.');
        });
    }
    if(requestedProtocols.indexOf("remote-debug") != -1){ // 处理来自被调试页面的请求
        debugConnection = request.accept('remote-debug', request.origin);
        debugConnection.on('message', function(message) {
            if (message.type === 'utf8') {
                var feed = JSON.parse(message.utf8Data);
                if(feed.type == "remote_debug_page"){   // 确认连接
                    debugConnection.sendUTF(JSON.stringify({"type":"start_debug"}));
                }else if(feed.type == "start_debug_ready"){
                    // 被调试页面已连接好
                } else{
                    // 把被调试页面的数据全部转发给调试器前端
                    if(frontendConnection){
                        frontendConnection.sendUTF(message.utf8Data)
                    }else{
                        console.log('无法转发给frontend,没有建立连接')
                    }
                }                
            }
        });
        debugConnection.on('close', function(reasonCode, description) {
            console.log((new Date()) + ' Peer remote' + debugConnection.remoteAddress + ' disconnected.');
        });
    }
});

laucher.js 代码示例：


var host = "localhost:3232"
var ws = new WebSocket(`ws://${host}`,'remote-debug');       
var search = location.search.slice(1);
var urlParams = {};
search.split('&').forEach(s=>{
    var pair = s.split('=');
    if(pair.length == 2){
        urlParams[pair[0]] = pair[1]
    }
})
ws.onopen = function() {
    ws.send(JSON.stringify({type:"remote_debug_page",url:location.href}))
};
ws.onmessage = function (evt)  { 
    var feed = JSON.parse(received_msg);
    if(feed.type == "start_debug") {
        // 连接到 webSocketDebuggerUrl
        var debugWS = new WebSocket(`ws://${urlParams.ws}`);  
        debugWS.onopen = function() {  
            ws.send(JSON.stringify({type:"start_debug_ready"})); // 确认可以开始调试
            ws.onmessage = function (evt) { // 转发到 debugger
                debugWS.send(evt.data);
            }
            ws.onclose = function (evt) {
                debugWS.close()
            }
        }
        debugWS.onmessage = function (evt)  { 
            ws.send(evt.data); // 转发到 server
        }
        debugWS.onclose = function() { 
            ws.send(JSON.stringify({type:"remote_page_lost",url:location.href}))
        };
    }
};
ws.onclose = function() { 
    console.log("连接已关闭..."); 
};

回放

使用 inspector 时我们可以发现，只要开启了 Page.enable 和 Network.enable，就可以一直接收到调试器后端推送的页面快照和网络请求数据。

我们可以略微改造一下 server.js 的代码，把所有收到的推送数据打时间戳后保存到一个文件，持久化存储起来。

if (message.type === 'utf8') {
    var feed = JSON.parse(message.utf8Data);
    if(feed.type == "remote_debug_page"){  
        debugConnection.sendUTF(JSON.stringify({"type":"start_debug"}));
    }else if(feed.type == "start_debug_ready"){
        writeStream = fs.createWriteStream(saveFilePath,{flags:'as',encoding: 'utf8'});
    } else{
        // 全部转发给 frontendConnection
        if(frontendConnection){
            frontendConnection.sendUTF(message.utf8Data)
        }else{
            console.log('无法转发给frontend,没有建立连接')
        }
        // 保存数据到文件
        if(feed.method)writeStream.write(message.utf8Data+'\n') 
    }                
}

然后我们给 websocket 服务增加一个协议类型，和 inspector 建立连接后，读取文件中保存的数据，按照时间戳上的时间间隔推送数据。

这样就实现了回放功能，把之前调试时的现场重现一遍。

if(requestedProtocols.indexOf("feedback") != -1){
    feedbackConnection = request.accept('feedback', request.origin);
    feedbackConnection.on('message', function(message) {
        // 忽略来的消息
    })
    const fileStream = fs.createReadStream(saveFilePath);
    const rl = readline.createInterface({
        input: fileStream,
        crlfDelay: Infinity
    });
    for await (const line of rl) {  // 逐行读取数据
        feedbackConnection.sendUTF(line)
        rl.pause();
        setTimeout(_=>{rl.resume()},1000)
    }
    feedbackConnection.on('close', function(reasonCode, description) {
        console.log('feedbackConnection disconnected.');
    });
}

甚至可以更进一步，创建一个 websocket 服务作为调试器前端，模拟 inspector 发送请求的逻辑并保存推送数据到文件，这样就实现了一个录制服务器，可以随时录制调试现场，然后在需要的时候播放，因为记录了时间戳，pause、seek、resume、stop 都可以实现。

devtools-frontend 的调用方式

一般来说，我们习惯用 require/import 的方式调用模块，devtools-frontend 虽然也是个 npm 包，chrome-devtools-frontend[9]，但是却不方便用 require/import 的方式直接引用。

主要是因为之前所述的 front_end 应用有自己的一套模块加载逻辑，应用的 js、json 配置文件必须在同一个目录下，模块也必须在同一个目录下，否则就会出现路径错误。

如果仅使用 front_end 的某个模块，还可以用 require/import 来引用。

如果想创建一个新的应用，最好是把整个 front_end 复制过来修改。

Chrome DevTools Extensions

如果想在 chrome 内嵌的调试面板中增加自定义的能力，可以用 chrome 插件的方式实现，例如vue-devtools[10]。

参考资料

ChromeDevTools/awesome-chrome-devtools[11]

ChromeDevTools/devtools-protocol[12]

参考资料

[1]

devtools-protocol: https://github.com/chromedevtools/devtools-protocol

[2]

Puppeteer: https://github.com/GoogleChrome/puppeteer/

[3]

ndb: https://github.com/GoogleChromeLabs/ndb

[4]

browser_protocol: https://github.com/ChromeDevTools/devtools-protocol/blob/master/json/browser_protocol.json

[5]

js_protocol: https://github.com/ChromeDevTools/devtools-protocol/blob/master/json/js_protocol.json

[6]

Typescript 类型定义: https://github.com/ChromeDevTools/devtools-protocol/tree/master/types

[7]

ChromeDevTools/devtools-frontend: https://github.com/ChromeDevTools/devtools-frontend

[8]

ChromeDevTools/devtools-frontend: https://github.com/ChromeDevTools/devtools-frontend

[9]

chrome-devtools-frontend: https://www.npmjs.com/package/chrome-devtools-frontend

[10]

vue-devtools: https://github.com/vuejs/vue-devtools

[11]

ChromeDevTools/awesome-chrome-devtools: https://github.com/ChromeDevTools/awesome-chrome-devtools

[12]

ChromeDevTools/devtools-protocol: https://github.com/chromedevtools/devtools-protocol

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原始发表：2020-04-24，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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