一篇学会Linux ptrace 的实现

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ptrace 是 Linux 内核提供的非常强大的系统调用，通过 ptrace 可以实现进程的单步调试和收集系统调用情况。比如 strace 和 gdb 都是基于 ptrace 实现的，strace 可以显示进程调用了哪些系统调用，gdb 可以实现对进程的调试。本文介绍这些工具的底层 ptrace 是如何实现的。这里选用了 1.2.13 的早期版本，原理是类似的，新版内核代码过多，没必要陷入过多细节中。

1 进程调试

ptrace 系统调用的实现中包含了很多功能，首先来看一下单步调试的实现。通过 ptrace 实现单步调试的方式有两种。

1. 父进程执行 fork 创建一个子进程，通过 ptrace 设置子进程为 PF_PTRACED 标记，然后执行 execve 加载被调试的程序。

2. 通过 ptrace attach 到指定的 pid 完成对进程的调试(控制)。

首先看一下第一种的实现。

1.1 方式1

pid_t pid = fork();// 子进程if (pid == 0) { 
    ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); 
    // 加载被调试的程序 
    execve(argv[1], NULL, NULL); 
} 

执行 fork 创建子进程后，通过 ptrace 的 PTRACE_TRACEME 指示操作系统设置子进程为被调试(设置 PF_PTRACED 标记)。来看一下这一步操作系统做了什么事情。

asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data){ 
    if (request == PTRACE_TRACEME) { 
        current->flags |= PF_PTRACED; 
        return 0; 
    } 
} 

这一步非常简单，接着看 execve 加载程序到内存执行时又是如何处理的。

int do_execve(char * filename, char ** argv, char ** envp, struct pt_regs * regs) { 
    // 加载程序 
    for (fmt = formats ; fmt ; fmt = fmt->next) { 
        int (*fn)(struct linux_binprm *, struct pt_regs *) = fmt->load_binary; 
        retval = fn(&bprm, regs); 
    } 
} 

do_execve 逻辑非常复杂，不过我们只关注需要的就好。do_execve 通过钩子函数加载程序，我们看看 formats 是什么。

struct linux_binfmt { 
    struct linux_binfmt * next; 
    int *use_count; 
    int (*load_binary)(struct linux_binprm *, struct  pt_regs * regs); 
    int (*load_shlib)(int fd); 
    int (*core_dump)(long signr, struct pt_regs * regs); 
}; 
 
static struct linux_binfmt *formats = &aout_format;int register_binfmt(struct linux_binfmt * fmt){ 
    struct linux_binfmt ** tmp = &formats; 
 
    if (!fmt) 
        return -EINVAL; 
    if (fmt->next) 
        return -EBUSY; 
    while (*tmp) { 
        if (fmt == *tmp) 
            return -EBUSY; 
        tmp = &(*tmp)->next; 
    } 
    *tmp = fmt; 
    return 0;    
} 

可以看到 formats 是一个链表。可以通过 register_binfmt 函数注册节点。那么谁调用了这个函数呢?

struct linux_binfmt elf_format = { 
 
NULL, NULL, load_elf_binary, load_elf_library, NULL};int init_module(void) { 
 
register_binfmt(&elf_format); 
 
return 0; 
 
} 

所以最终调用了 load_elf_binary 函数加载程序。同样我们只关注相关的逻辑。

if (current->flags & PF_PTRACED) 
        send_sig(SIGTRAP, current, 0); 

load_elf_binary 中会判断如果进程设置了 PF_PTRACED 标记，那么会给当前进程发送一个 SIGTRAP 信号。接着看信号处理函数的相关逻辑。

if ((current->flags & PF_PTRACED) && signr != SIGKILL) { 
    current->exit_code = signr; 
    // 修改当前进程（被调试的进程）为暂停状态 
    current->state = TASK_STOPPED; 
    // 通知父进程 
    notify_parent(current); 
    // 调度其他进程执行 
    schedule(); 
} 

所以程序被加载到内存后，根本没有机会执行就直接被修改为暂停状态了，接下来看看 notify_parent 通知父进程干什么。

void notify_parent(struct task_struct * tsk){    
    // 给父进程发送 SIGCHLD 信号 
    if (tsk->p_pptr == task[1]) 
        tsk->exit_signal = SIGCHLD; 
    send_sig(tsk->exit_signal, tsk->p_pptr, 1); 
    wake_up_interruptible(&tsk->p_pptr->wait_chldexit); 
} 

父进程收到信号后，可以通过 sys_ptrace 控制子进程，sys_ptrace 还提供了很多功能，比如读取子进程的数据。

// pid 为子进程 id 
 
num = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_RAX * 8, NULL); 

这个就不展开了，主要是内存的校验和数据读取。这里讲一下 PTRACE_SINGLESTEP 命令，这个命令控制子进程单步执行的。

case PTRACE_SINGLESTEP: {  /* set the trap flag. */ 
        long tmp; 
        child->flags &= ~PF_TRACESYS; 
        // 设置 eflags 的单步调试 flag 
        tmp = get_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER) | TRAP_FLAG; 
        put_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER,tmp); 
        // 修改子进程状态为可执行 
        child->state = TASK_RUNNING; 
        child->exit_code = data; 
        return 0; 
} 

PTRACE_SINGLESTEP 让子进程重新进入运行状态，但是有一个很关键的是，设置好了单步调试 flag。我们看看 trap flag 是什么。

A trap flag permits operation of a processor in single-step mode. If such a flag is available, debuggers can use it to step through the execution of a computer program. 

也就是说，子进程执行一个指令后，就会被中断，然后系统会给被调试进程发送 SIGTRAP 信号。同样，被调试进程在信号处理函数里，通知父进程，从而控制权又回到了父进程手中，如此循环。

1.2 方式2

除了开始时通过 ptrace 设置进程调试，也可以通过 ptrace 动态设置调试进程的能力，具体是通过 PTRACE_ATTACH 命令实现的。

if (request == PTRACE_ATTACH) { 
        // 设置被调试标记 
        child->flags |= PF_PTRACED; 
        // 设置和父进程的关系 
        if (child->p_pptr != current) { 
            REMOVE_LINKS(child); 
            child->p_pptr = current; 
            SET_LINKS(child); 
        } 
        // 给被调试进程发送 SIGSTOP 信号 
        send_sig(SIGSTOP, child, 1); 
        return 0; 
} 

前面已经分析过，信号处理函数里会设置进程为暂停状态，然后通知主进程，主进程就可以控制子进程，具体和前面流程一样。

2 跟踪系统调用

ptrace 处理追踪进程执行过程之外，还可以实现跟踪系统调用。具体是通过 PTRACE_SYSCALL 命令实现。

case PTRACE_SYSCALL: 
case PTRACE_CONT: { 
    long tmp; 
    // 设置 PF_TRACESYS 标记 
    if (request == PTRACE_SYSCALL) 
        child->flags |= PF_TRACESYS; 
    child->exit_code = data; 
    child->state = TASK_RUNNING; 
    // 清除 trap flag 标记 
    tmp = get_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER) & ~TRAP_FLAG; 
    put_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER,tmp); 
    return 0; 
} 

看起来很简单，就是设置了一个新的标记 PF_TRACESYS。看看这个标记有什么用。

// 调用 syscall_trace 函数 
1:  call _syscall_trace 
    movl  
    movl ORIG_EAX(%esp),%eax 
    // 调用系统调用 
    call _sys_call_table(,%eax,4) 
    movl %eax,EAX(%esp)     # save the return value 
    movl _current,%eax 
    movl errno(%eax),%edx 
    negl %edx 
    je 1f 
    movl %edx,EAX(%esp) 
    orl $(CF_MASK),EFLAGS(%esp) # set carry to indicate error 
// 调用 syscall_trace 函数 
1:  call _syscall_trace 

可以看到在系统调用的前后都有一个 syscall_trace 的逻辑，所以在系统调用前和后，我们都可以做点事情。来看看这个函数做了什么。

asmlinkage void syscall_trace(void){ 
    // 暂停子进程，通知父进程，并调度其他进程执行 
    current->exit_code = SIGTRAP; 
    current->state = TASK_STOPPED; 
    notify_parent(current); 
    schedule(); 
} 

这里的逻辑就是把逻辑切换到主进程中，然后主进程就可以通过命令获取被调试进程的系统调用信息。下面是一个追踪进程所有系统调用的例子。

/* 
  use ptrace to find all system call that call by certain process 
*/ 
#include <sys/ptrace.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/wait.h> 
#include <stdio.h> 
#include <sys/reg.h> 
 
int main(int argc, char *argv[]) { 
    pid_t pid = fork(); 
    if (pid < 0) { 
        printf("fork failed"); 
        exit(-1); 
    } else if (pid == 0) { 
        // set state of child process to PTRACE 
        ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); 
        // child will change to stopped state when in execve call, then send the signal to parent 
        execve(argv[1], NULL, NULL); 
    } else { 
        int status; 
        int bit = 1; 
        long num; 
        long ret; 
        // wait for child 
        wait(&status); 
        if(WIFEXITED(status)) 
            return 0; 
        // this is for execve call which will not return, and for os of 64-it => ORIG_RAX * 8 or os of 32-it => ORIG_EAX * 4 
        num = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_RAX * 8, NULL); 
        printf("system call num = %ld\n", num); 
        ptrace(PTRACE_SYSCALL, pid, NULL, NULL); 
        while(1) { 
            wait(&status); 
            if(WIFEXITED(status)) 
                return 0; 
            // for enter system call 
            if(bit) { 
                num = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_RAX * 8, NULL); 
                printf("system call num = %ld", num); 
                bit = 0; 
            } else { // for return of system call 
                ret = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, RAX*8, NULL); 
                printf("system call return = %ld \n", ret); 
                bit = 1; 
            } 
            // let this child process continue to run until call next system call 
            ptrace(PTRACE_SYSCALL,pid,NULL,NULL); 
        } 
    } 
} 

总结

ptrace 功能复杂而强大，理解它的原理对理解其他技术和工具都非常有意义，本文大概做了一个介绍，有兴趣的同学可以自行查看源码。