一篇學會Linux ptrace 的實現
ptrace 是 Linux 內核提供的非常強大的系統調用，通過 ptrace 可以實現進程的單步調試和收集系統調用情況。比如 strace 和 gdb 都是基于 ptrace 實現的，strace 可以顯示進程調用了哪些系統調用，gdb 可以實現對進程的調試。本文介紹這些工具的底層 ptrace 是如何實現的。這里選用了 1.2.13 的早期版本，原理是類似的，新版內核代碼過多，沒必要陷入過多細節中。
1 進程調試
ptrace 系統調用的實現中包含了很多功能，首先來看一下單步調試的實現。通過 ptrace 實現單步調試的方式有兩種。
1. 父進程執行 fork 創建一個子進程，通過 ptrace 設置子進程為 PF_PTRACED 標記，然后執行 execve 加載被調試的程序。
2. 通過 ptrace attach 到指定的 pid 完成對進程的調試(控制)。
首先看一下第一種的實現。
1.1 方式1
- pid_t pid = fork();// 子進程if (pid == 0) {
- ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
- // 加載被調試的程序
- execve(argv[1], NULL, NULL);
- }
執行 fork 創建子進程后，通過 ptrace 的 PTRACE_TRACEME 指示操作系統設置子進程為被調試(設置 PF_PTRACED 標記)。來看一下這一步操作系統做了什么事情。
- asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data){
- if (request == PTRACE_TRACEME) {
- current->flags |= PF_PTRACED;
- return 0;
- }
- }
這一步非常簡單，接著看 execve 加載程序到內存執行時又是如何處理的。
- int do_execve(char * filename, char ** argv, char ** envp, struct pt_regs * regs) {
- // 加載程序
- for (fmt = formats ; fmt ; fmt = fmt->next) {
- int (*fn)(struct linux_binprm *, struct pt_regs *) = fmt->load_binary;
- retval = fn(&bprm, regs);
- }
- }
do_execve 邏輯非常復雜，不過我們只關注需要的就好。do_execve 通過鉤子函數加載程序，我們看看 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 是一個鏈表。可以通過 register_binfmt 函數注冊節點。那么誰調用了這個函數呢?
- struct linux_binfmt elf_format = {
- NULL, NULL, load_elf_binary, load_elf_library, NULL};int init_module(void) {
- register_binfmt(&elf_format);
- return 0;
- }
所以最終調用了 load_elf_binary 函數加載程序。同樣我們只關注相關的邏輯。
- if (current->flags & PF_PTRACED)
- send_sig(SIGTRAP, current, 0);
load_elf_binary 中會判斷如果進程設置了 PF_PTRACED 標記，那么會給當前進程發送一個 SIGTRAP 信號。接著看信號處理函數的相關邏輯。
- if ((current->flags & PF_PTRACED) && signr != SIGKILL) {
- current->exit_code = signr;
- // 修改當前進程（被調試的進程）為暫停狀態
- current->state = TASK_STOPPED;
- // 通知父進程
- notify_parent(current);
- // 調度其他進程執行
- schedule();
- }
所以程序被加載到內存后，根本沒有機會執行就直接被修改為暫停狀態了，接下來看看 notify_parent 通知父進程干什么。
- void notify_parent(struct task_struct * tsk){
- // 給父進程發送 SIGCHLD 信號
- 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);
- }
父進程收到信號后，可以通過 sys_ptrace 控制子進程，sys_ptrace 還提供了很多功能，比如讀取子進程的數據。
- // pid 為子進程 id
- num = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_RAX * 8, NULL);
這個就不展開了，主要是內存的校驗和數據讀取。這里講一下 PTRACE_SINGLESTEP 命令，這個命令控制子進程單步執行的。
- case PTRACE_SINGLESTEP: { /* set the trap flag. */
- long tmp;
- child->flags &= ~PF_TRACESYS;
- // 設置 eflags 的單步調試 flag
- tmp = get_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER) | TRAP_FLAG;
- put_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER,tmp);
- // 修改子進程狀態為可執行
- child->state = TASK_RUNNING;
- child->exit_code = data;
- return 0;
- }
PTRACE_SINGLESTEP 讓子進程重新進入運行狀態，但是有一個很關鍵的是，設置好了單步調試 flag。我們看看 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.
也就是說，子進程執行一個指令后，就會被中斷，然后系統會給被調試進程發送 SIGTRAP 信號。同樣，被調試進程在信號處理函數里，通知父進程，從而控制權又回到了父進程手中，如此循環。
1.2 方式2
除了開始時通過 ptrace 設置進程調試，也可以通過 ptrace 動態設置調試進程的能力，具體是通過 PTRACE_ATTACH 命令實現的。
- if (request == PTRACE_ATTACH) {
- // 設置被調試標記
- child->flags |= PF_PTRACED;
- // 設置和父進程的關系
- if (child->p_pptr != current) {
- REMOVE_LINKS(child);
- child->p_pptr = current;
- SET_LINKS(child);
- }
- // 給被調試進程發送 SIGSTOP 信號
- send_sig(SIGSTOP, child, 1);
- return 0;
- }
前面已經分析過，信號處理函數里會設置進程為暫停狀態，然后通知主進程，主進程就可以控制子進程，具體和前面流程一樣。
2 跟蹤系統調用
ptrace 處理追蹤進程執行過程之外，還可以實現跟蹤系統調用。具體是通過 PTRACE_SYSCALL 命令實現。
- case PTRACE_SYSCALL:
- case PTRACE_CONT: {
- long tmp;
- // 設置 PF_TRACESYS 標記
- if (request == PTRACE_SYSCALL)
- child->flags |= PF_TRACESYS;
- child->exit_code = data;
- child->state = TASK_RUNNING;
- // 清除 trap flag 標記
- tmp = get_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER) & ~TRAP_FLAG;
- put_stack_long(child, sizeof(long)*EFL-MAGICNUMBER,tmp);
- return 0;
- }
看起來很簡單，就是設置了一個新的標記 PF_TRACESYS。看看這個標記有什么用。
- // 調用 syscall_trace 函數
- 1: call _syscall_trace
- movl
- movl ORIG_EAX(%esp),%eax
- // 調用系統調用
- 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
- // 調用 syscall_trace 函數
- 1: call _syscall_trace
可以看到在系統調用的前后都有一個 syscall_trace 的邏輯，所以在系統調用前和后，我們都可以做點事情。來看看這個函數做了什么。
- asmlinkage void syscall_trace(void){
- // 暫停子進程，通知父進程，并調度其他進程執行
- current->exit_code = SIGTRAP;
- current->state = TASK_STOPPED;
- notify_parent(current);
- schedule();
- }
這里的邏輯就是把邏輯切換到主進程中，然后主進程就可以通過命令獲取被調試進程的系統調用信息。下面是一個追蹤進程所有系統調用的例子。
- /*
- 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);
- }
- }
- }
總結
ptrace 功能復雜而強大，理解它的原理對理解其他技術和工具都非常有意義，本文大概做了一個介紹，有興趣的同學可以自行查看源碼。
