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在程序出現(xiàn)bug的時(shí)候，最好的解決辦法就是通過(guò) GDB 調(diào)試程序，然后找到程序出現(xiàn)問(wèn)題的地方。比如程序出現(xiàn) 段錯(cuò)誤（內(nèi)存地址不合法）時(shí)，就可以通過(guò) GDB 找到程序哪里訪問(wèn)了不合法的內(nèi)存地址而導(dǎo)致的。

本文不是介紹 GDB 的使用方式，而是大概介紹 GDB 的實(shí)現(xiàn)原理，當(dāng)然 GDB 是一個(gè)龐大而復(fù)雜的項(xiàng)目，不可能只通過(guò)一篇文章就能解釋清楚，所以本文主要是介紹 GDB 使用的核心的技術(shù) - ptrace。

ptrace系統(tǒng)調(diào)用

ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用是 Linux 提供的一個(gè)調(diào)試進(jìn)程的工具，ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用非常強(qiáng)大，它提供非常多的調(diào)試方式讓我們?nèi)フ{(diào)試某一個(gè)進(jìn)程，下面是 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的定義：

long ptrace(enum __ptrace_request request,  pid_t pid, void *addr,  void *data);

下面解釋一下 ptrace() 各個(gè)參數(shù)的作用：

request：指定調(diào)試的指令，指令的類(lèi)型很多，如：PTRACE_TRACEME、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_CONT、PTRACE_GETREGS等等，下面會(huì)介紹不同指令的作用。
pid：進(jìn)程的ID（這個(gè)不用解釋了）。
addr：進(jìn)程的某個(gè)地址空間，可以通過(guò)這個(gè)參數(shù)對(duì)進(jìn)程的某個(gè)地址進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/section>
data：根據(jù)不同的指令，有不同的用途，下面會(huì)介紹。

ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用詳細(xì)的介紹可以參考以下鏈接：https://man7.org/linux/man-pages/man2/ptrace.2.html

ptrace使用示例

下面通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單例子來(lái)說(shuō)明 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的使用，這個(gè)例子主要介紹怎么使用 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用獲取當(dāng)前被調(diào)試（追蹤）進(jìn)程的各個(gè)寄存器的值，代碼如下（ptrace.c）：

#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/user.h>
#include <stdio.h>

int main()
{   pid_t child;
    struct user_regs_struct regs;

    child = fork();  // 創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程
    if(child == 0) { // 子進(jìn)程
        ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL); // 表示當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)入被追蹤狀態(tài)
        execl("/bin/ls", "ls", NULL);          // 執(zhí)行 `/bin/ls` 程序
    } 
    else { // 父進(jìn)程
        wait(NULL); // 等待子進(jìn)程發(fā)送一個(gè) SIGCHLD 信號(hào)
        ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, &regs); // 獲取子進(jìn)程的各個(gè)寄存器的值
        printf("Register: rdi[%ld], rsi[%ld], rdx[%ld], rax[%ld], orig_rax[%ld]\n",
                regs.rdi, regs.rsi, regs.rdx,regs.rax, regs.orig_rax); // 打印寄存器的值
        ptrace(PTRACE_CONT, child, NULL, NULL); // 繼續(xù)運(yùn)行子進(jìn)程
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

通過(guò)命令 gcc ptrace.c -o ptrace 編譯并運(yùn)行上面的程序會(huì)輸出如下結(jié)果：

Register: rdi[0], rsi[0], rdx[0], rax[0], orig_rax[59]
ptrace  ptrace.c

上面結(jié)果的第一行是由父進(jìn)程輸出的，主要是打印了子進(jìn)程執(zhí)行 /bin/ls 程序后各個(gè)寄存器的值。而第二行是由子進(jìn)程輸出的，主要是打印了執(zhí)行 /bin/ls 程序后輸出的結(jié)果。

下面解釋一下上面程序的執(zhí)行流程：

主進(jìn)程調(diào)用 fork() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。
子進(jìn)程調(diào)用 ptrace(PTRACE_TRACEME,...) 把自己設(shè)置為被追蹤狀態(tài)，并且調(diào)用 execl() 執(zhí)行 /bin/ls 程序。
被設(shè)置為追蹤（TRACE）狀態(tài)的子進(jìn)程執(zhí)行 execl() 的程序后，會(huì)向父進(jìn)程發(fā)送 SIGCHLD 信號(hào)，并且暫停自身的執(zhí)行。
父進(jìn)程通過(guò)調(diào)用 wait() 接收子進(jìn)程發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并且開(kāi)始追蹤子進(jìn)程。
父進(jìn)程通過(guò)調(diào)用 ptrace(PTRACE_GETREGS, child, ...) 來(lái)獲取到子進(jìn)程各個(gè)寄存器的值，并且打印寄存器的值。
父進(jìn)程通過(guò)調(diào)用 ptrace(PTRACE_CONT, child, ...) 讓子進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行下去。

從上面的例子可以知道，通過(guò)向 ptrace() 函數(shù)的 request 參數(shù)傳入不同的值時(shí)，就有不同的效果。比如傳入 PTRACE_TRACEME 就可以讓進(jìn)程進(jìn)入被追蹤狀態(tài)，而傳入 PTRACE_GETREGS 時(shí)，就可以獲取被追蹤的子進(jìn)程各個(gè)寄存器的值等。

本來(lái)我想使用 ptrace 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)試工具，但在網(wǎng)上找到了一位 Google 的大神 Eli Bendersky 寫(xiě)了類(lèi)似的系列文章，所以我就不再重復(fù)工作了，在這里貼一下文章的鏈接：

https://eli.thegreenplace.net/2011/01/23/how-debuggers-work-part-1/
https://eli.thegreenplace.net/2011/01/27/how-debuggers-work-part-2-breakpoints
https://eli.thegreenplace.net/2011/02/07/how-debuggers-work-part-3-debugging-information

但由于 Eli Bendersky 大神的文章只是介紹使用 ptrace 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的進(jìn)程調(diào)試工具，而沒(méi)有介紹 ptrace 的原理和實(shí)現(xiàn)，所以這里為了填補(bǔ)這個(gè)空缺，下面就詳細(xì)介紹一下 ptrace 的原理與實(shí)現(xiàn)。

ptrace實(shí)現(xiàn)原理

本文使用的 Linux 2.4.16 版本的內(nèi)核
看懂本文需要的基礎(chǔ)：進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存管理和信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)。

調(diào)用 ptrace() 系統(tǒng)函數(shù)時(shí)會(huì)觸發(fā)調(diào)用內(nèi)核的 sys_ptrace() 函數(shù)，由于不同的 CPU 架構(gòu)有著不同的調(diào)試方式，所以 Linux 為每種不同的 CPU 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同的 sys_ptrace() 函數(shù)，而本文主要介紹的是 X86 CPU 的調(diào)試方式，所以 sys_ptrace() 函數(shù)所在文件是 linux-2.4.16/arch/i386/kernel/ptrace.c。

sys_ptrace() 函數(shù)的主體是一個(gè) switch 語(yǔ)句，會(huì)傳入的 request 參數(shù)不同進(jìn)行不同的操作，如下：

asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data)
{
    struct task_struct *child;
    struct user *dummy = NULL;
    int i, ret;

    ...

    read_lock(&tasklist_lock);
    child = find_task_by_pid(pid); // 獲取 pid 對(duì)應(yīng)的進(jìn)程 task_struct 對(duì)象
    if (child)
        get_task_struct(child);
    read_unlock(&tasklist_lock);
    if (!child)
        goto out;

    if (request == PTRACE_ATTACH) {
        ret = ptrace_attach(child);
        goto out_tsk;
    }

    ...

    switch (request) {
    case PTRACE_PEEKTEXT:
    case PTRACE_PEEKDATA:
        ...
    case PTRACE_PEEKUSR:
        ...
    case PTRACE_POKETEXT:
    case PTRACE_POKEDATA:
        ...
    case PTRACE_POKEUSR:
        ...
    case PTRACE_SYSCALL:
    case PTRACE_CONT:
        ...
    case PTRACE_KILL: 
        ...
    case PTRACE_SINGLESTEP:
        ...
    case PTRACE_DETACH:
        ...
    }
out_tsk:
    free_task_struct(child);
out:
    unlock_kernel();
    return ret;
}

從上面的代碼可以看出，sys_ptrace() 函數(shù)首先根據(jù)進(jìn)程的 pid 獲取到進(jìn)程的 task_struct 對(duì)象。然后根據(jù)傳入不同的 request 參數(shù)在 switch 語(yǔ)句中進(jìn)行不同的操作。

ptrace() 支持的所有 request 操作定義在 linux-2.4.16/include/linux/ptrace.h 文件中，如下：

#define PTRACE_TRACEME         0
#define PTRACE_PEEKTEXT        1
#define PTRACE_PEEKDATA        2
#define PTRACE_PEEKUSR         3
#define PTRACE_POKETEXT        4
#define PTRACE_POKEDATA        5
#define PTRACE_POKEUSR         6
#define PTRACE_CONT            7
#define PTRACE_KILL            8
#define PTRACE_SINGLESTEP      9
#define PTRACE_ATTACH       0x10
#define PTRACE_DETACH       0x11
#define PTRACE_SYSCALL        24
#define PTRACE_GETREGS        12
#define PTRACE_SETREGS        13
#define PTRACE_GETFPREGS      14
#define PTRACE_SETFPREGS      15
#define PTRACE_GETFPXREGS     18
#define PTRACE_SETFPXREGS     19
#define PTRACE_SETOPTIONS     21

由于 ptrace() 提供的操作比較多，所以本文只會(huì)挑選一些比較有代表性的操作進(jìn)行解說(shuō)，比如 PTRACE_TRACEME、PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_PEEKTEXT、PTRACE_PEEKDATA 和 PTRACE_CONT 等，而其他的操作，有興趣的朋友可以自己去分析其實(shí)現(xiàn)原理。

進(jìn)入被追蹤模式（PTRACE_TRACEME操作）

當(dāng)要調(diào)試一個(gè)進(jìn)程時(shí)，需要使進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式，怎么使進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式呢？有兩個(gè)方法：

被調(diào)試的進(jìn)程調(diào)用 ptrace(PTRACE_TRACEME, ...) 來(lái)使自己進(jìn)入被追蹤模式。
調(diào)試進(jìn)程（如GDB）調(diào)用 ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, ...) 來(lái)使指定的進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式。

第一種方式是進(jìn)程自己主動(dòng)進(jìn)入被追蹤模式，而第二種是進(jìn)程被動(dòng)進(jìn)入被追蹤模式。

被調(diào)試的進(jìn)程必須進(jìn)入被追蹤模式才能進(jìn)行調(diào)試，因?yàn)?Linux 會(huì)對(duì)被追蹤的進(jìn)程進(jìn)行一些特殊的處理。下面我們主要介紹第一種進(jìn)入被追蹤模式的實(shí)現(xiàn)，就是 PTRACE_TRACEME 的操作過(guò)程，代碼如下：

asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data)
{
    ...
    if (request == PTRACE_TRACEME) {
        if (current->ptrace & PT_PTRACED)
            goto out;
        current->ptrace |= PT_PTRACED; // 標(biāo)志 PTRACE 狀態(tài)
        ret = 0;
        goto out;
    }
    ...
}

從上面的代碼可以發(fā)現(xiàn)，ptrace() 對(duì) PTRACE_TRACEME 的處理就是把當(dāng)前進(jìn)程標(biāo)志為 PTRACE 狀態(tài)。

當(dāng)然事情不會(huì)這么簡(jiǎn)單，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)后，當(dāng)調(diào)用 exec() 函數(shù)去執(zhí)行一個(gè)外部程序時(shí)，將會(huì)暫停當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行，并且發(fā)送一個(gè) SIGCHLD 給父進(jìn)程。父進(jìn)程接收到 SIGCHLD 信號(hào)后就可以對(duì)被調(diào)試的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)試。

我們來(lái)看看 exec() 函數(shù)是怎樣實(shí)現(xiàn)上述功能的，exec() 函數(shù)的執(zhí)行過(guò)程為 sys_execve() -> do_execve() -> load_elf_binary()：

static int load_elf_binary(struct linux_binprm * bprm, struct pt_regs * regs)
{
    ...
    if (current->ptrace & PT_PTRACED)
        send_sig(SIGTRAP, current, 0);
    ...
}

從上面代碼可以看出，當(dāng)進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行 exec() 函數(shù)后便會(huì)發(fā)送一個(gè) SIGTRAP 的信號(hào)給當(dāng)前進(jìn)程。

我們?cè)賮?lái)看看，進(jìn)程是怎么處理 SIGTRAP 信號(hào)的。信號(hào)是通過(guò) do_signal() 函數(shù)進(jìn)行處理的，而對(duì) SIGTRAP 信號(hào)的處理邏輯如下：

int do_signal(struct pt_regs *regs, sigset_t *oldset) 
{
    for (;;) {
        unsigned long signr;

        spin_lock_irq(&current->sigmask_lock);
        signr = dequeue_signal(&current->blocked, &info);
        spin_unlock_irq(&current->sigmask_lock);

        // 如果進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)
        if ((current->ptrace & PT_PTRACED) && signr != SIGKILL) {
            /* 讓調(diào)試器運(yùn)行  */
            current->exit_code = signr;
            current->state = TASK_STOPPED;   // 讓自己進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)
            notify_parent(current, SIGCHLD); // 發(fā)送 SIGCHLD 信號(hào)給父進(jìn)程
            schedule();                      // 讓出CPU的執(zhí)行權(quán)限
            ...
        }
    }
}

上面的代碼主要做了3件事：

如果當(dāng)前進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)，那么就使自己進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)。
發(fā)送 SIGCHLD 信號(hào)給父進(jìn)程。
讓出 CPU 的執(zhí)行權(quán)限，使 CPU 執(zhí)行其他進(jìn)程。

執(zhí)行以上過(guò)程后，被追蹤進(jìn)程便進(jìn)入了調(diào)試模式，過(guò)程如下圖：

當(dāng)父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）接收到 SIGCHLD 信號(hào)后，表示被調(diào)試進(jìn)程已經(jīng)標(biāo)記為被追蹤狀態(tài)并且停止運(yùn)行，那么調(diào)試進(jìn)程就可以開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試了。

獲取被調(diào)試進(jìn)程的內(nèi)存數(shù)據(jù)（PTRACE_PEEKTEXT / PTRACE_PEEKDATA）

調(diào)試進(jìn)程（如GDB）可以通過(guò)調(diào)用 ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, addr, data) 來(lái)獲取被調(diào)試進(jìn)程 addr 處虛擬內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，但每次只能讀取一個(gè)大小為 4字節(jié)的數(shù)據(jù)。

我們來(lái)看看 ptrace() 對(duì) PTRACE_PEEKDATA 操作的處理過(guò)程，代碼如下：

asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data)
{
    ...
    switch (request) {
    case PTRACE_PEEKTEXT:
    case PTRACE_PEEKDATA: {
        unsigned long tmp;
        int copied;

        copied = access_process_vm(child, addr, &tmp, sizeof(tmp), 0);
        ret = -EIO;
        if (copied != sizeof(tmp))
            break;
        ret = put_user(tmp, (unsigned long *)data);
        break;
    }
    ...
}

從上面代碼可以看出，對(duì) PTRACE_PEEKTEXT 和 PTRACE_PEEKDATA 的處理是相同的，主要是通過(guò)調(diào)用 access_process_vm() 函數(shù)來(lái)讀取被調(diào)試進(jìn)程 addr 處的虛擬內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)。

access_process_vm() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要涉及到 內(nèi)存管理 相關(guān)的知識(shí)，可以參考我以前對(duì)內(nèi)存管理分析的文章，這里主要大概說(shuō)明一下 access_process_vm() 的原理。

我們知道每個(gè)進(jìn)程都有個(gè) mm_struct 的內(nèi)存管理對(duì)象，而 mm_struct 對(duì)象有個(gè)表示虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射關(guān)系的頁(yè)目錄的指針 pgd。如下：

struct mm_struct {
    ...
    pgd_t *pgd; /* 頁(yè)目錄指針 */
    ...
}

而 access_process_vm() 函數(shù)就是通過(guò)進(jìn)程的頁(yè)目錄來(lái)找到 addr 虛擬內(nèi)存地址映射的物理內(nèi)存地址，然后把此物理內(nèi)存地址處的數(shù)據(jù)復(fù)制到 data 變量中。如下圖所示：

access_process_vm() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)這里就不分析了，有興趣的讀者可以參考我之前對(duì)內(nèi)存管理分析的文章自行進(jìn)行分析。

單步調(diào)試模式（PTRACE_SINGLESTEP）

單步調(diào)試是一個(gè)比較有趣的功能，當(dāng)把被調(diào)試進(jìn)程設(shè)置為單步調(diào)試模式后，被調(diào)試進(jìn)程沒(méi)執(zhí)行一條CPU指令都會(huì)停止執(zhí)行，并且向父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）發(fā)送一個(gè) SIGCHLD 信號(hào)。

我們來(lái)看看 ptrace() 函數(shù)對(duì) PTRACE_SINGLESTEP 操作的處理過(guò)程，代碼如下：

asmlinkage int sys_ptrace(long request, long pid, long addr, long data)
{
    ...
    switch (request) {
    case PTRACE_SINGLESTEP: {  /* set the trap flag. */
        long tmp;
        ...
        tmp = get_stack_long(child, EFL_OFFSET) | TRAP_FLAG;
        put_stack_long(child, EFL_OFFSET, tmp);
        child->exit_code = data;
        /* give it a chance to run. */
        wake_up_process(child);
        ret = 0;
        break;
    }
    ...
}

要把被調(diào)試的進(jìn)程設(shè)置為單步調(diào)試模式，英特爾的 X86 CPU 提供了一個(gè)硬件的機(jī)制，就是通過(guò)把 eflags 寄存器的 Trap Flag 設(shè)置為1即可。

當(dāng)把 eflags 寄存器的 Trap Flag 設(shè)置為1后，CPU 每執(zhí)行一條指令便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常，然后會(huì)觸發(fā) Linux 的異常處理，Linux 便會(huì)發(fā)送一個(gè) SIGTRAP 信號(hào)給被調(diào)試的進(jìn)程。eflags 寄存器的各個(gè)標(biāo)志如下圖：

從上圖可知，eflags 寄存器的第8位就是單步調(diào)試模式的標(biāo)志。

所以 ptrace() 函數(shù)的以下2行代碼就是設(shè)置 eflags 進(jìn)程的單步調(diào)試標(biāo)志：

tmp = get_stack_long(child, EFL_OFFSET) | TRAP_FLAG;
put_stack_long(child, EFL_OFFSET, tmp);

而 get_stack_long(proccess, offset) 函數(shù)用于獲取進(jìn)程棧 offset 處的值，而 EFL_OFFSET 偏移量就是 eflags 寄存器的值。所以上面兩行代碼的意思就是：

獲取進(jìn)程的 eflags 寄存器的值，并且設(shè)置 Trap Flag 標(biāo)志。
把新的值設(shè)置到進(jìn)程的 eflags 寄存器中。

設(shè)置完 eflags 寄存器的值后，就調(diào)用 wake_up_process() 函數(shù)把被調(diào)試的進(jìn)程喚醒，讓其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。單步調(diào)試過(guò)程如下圖：

處于單步調(diào)試模式時(shí)，被調(diào)試進(jìn)程每執(zhí)行一條指令都會(huì)觸發(fā)一次 SIGTRAP 信號(hào)，而被調(diào)試進(jìn)程處理 SIGTRAP 信號(hào)時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè) SIGCHLD 信號(hào)給父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程），并且讓自己停止執(zhí)行。

而父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）接收到 SIGCHLD 后，就可以對(duì)被調(diào)試的進(jìn)程進(jìn)行各種操作，比如讀取被調(diào)試進(jìn)程內(nèi)存的數(shù)據(jù)和寄存器的數(shù)據(jù)，或者通過(guò)調(diào)用 ptrace(PTRACE_CONT, child,...) 來(lái)讓被調(diào)試進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行等。

小結(jié)

由于 ptrace() 的功能十分強(qiáng)大，所以本文只能拋磚引玉，沒(méi)能對(duì)其所有功能進(jìn)行分析。另外斷點(diǎn)功能并不是通過(guò) ptrace() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò) int3 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在 Eli Bendersky 大神的文章有介紹。而對(duì)于 ptrace() 的所有功能，只能讀者自己慢慢看代碼來(lái)體會(huì)了。

一文看懂 | GDB底層實(shí)現(xiàn)原理