Linux上程序调试的基石(1)--ptrace

引子: 
1.在Linux系统中，进程状态除了我们所熟知的TASK_RUNNING，TASK_INTERRUPTIBLE，TASK_STOPPED等，还有一个TASK_TRACED。这表明这个进程处于什么状态？ 
2.strace可以方便的帮助我们记录进程所执行的系统调用，它是如何跟踪到进程执行的？ 
3.gdb是我们调试程序的利器，可以设置断点，单步跟踪程序。它的实现原理又是什么？ 

所有这一切的背后都隐藏着Linux所提供的一个强大的系统调用ptrace(). 

1.ptrace系统调用 
ptrace系统调从名字上看是用于进程跟踪的，它提供了父进程可以观察和控制其子进程执行的能力，并允许父进程检查和替换子进程的内核镜像(包 括寄存器)的值。其基本原理是: 当使用了ptrace跟踪后，所有发送给被跟踪的子进程的信号(除了SIGKILL)，都会被转发给父进程，而子进程则会被阻塞，这时子进程的状态就会被 系统标注为TASK_TRACED。而父进程收到信号后，就可以对停止下来的子进程进行检查和修改，然后让子进程继续运行。 

其原型为： 

#include <sys/ptrace.h>
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data); 

ptrace有四个参数: 
1). enum __ptrace_request request：指示了ptrace要执行的命令。 
2). pid_t pid: 指示ptrace要跟踪的进程。 
3). void *addr: 指示要监控的内存地址。 
4). void *data: 存放读取出的或者要写入的数据。 
ptrace是如此的强大，以至于有很多大家所常用的工具都基于ptrace来实现，如strace和gdb。接下来，我们借由对strace和gdb的实现，来看看ptrace是如何使用的。 

2. strace的实现 
strace常常被用来拦截和记录进程所执行的系统调用，以及进程所收到的信号。如有这么一段程序： 
HelloWorld.c: 

#include <stdio.h>
int main(){
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
} 

编译后，用strace跟踪： strace ./HelloWorld 
可以看到形如: 
execve("./HelloWorld", ["./HelloWorld"], [/* 67 vars */]) = 0 
brk(0)                                  = 0x804a000 
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7f18000 
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory) 
open("/home/supperman/WorkSpace/lib/tls/i686/sse2/libc.so.6", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) 
... 
的一段输出，这就是在执行HelloWorld中，系统所执行的系统调用，以及他们的返回值。 

下面我们用ptrace来研究一下它是怎么实现的。 
... 

   switch(pid = fork())
    {
    case -1:
        return -1;
    case 0: //子进程
        ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
        execl("./HelloWorld", "HelloWorld", NULL);
    default: //父进程
        wait(&val); //等待并记录execve
        if(WIFEXITED(val))
            return 0;
        syscallID=ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_EAX*4, NULL);
        printf("Process executed system call ID = %ld\n",syscallID);
        ptrace(PTRACE_SYSCALL,pid,NULL,NULL);
        while(1)
        {
            wait(&val); //等待信号
            if(WIFEXITED(val)) //判断子进程是否退出
                return 0;
            if(flag==0) //第一次(进入系统调用)，获取系统调用的参数
            {
                syscallID=ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, ORIG_EAX*4, NULL);
                printf("Process executed system call ID = %ld ",syscallID);
                flag=1;
            }
            else //第二次(退出系统调用)，获取系统调用的返回值
            {
                returnValue=ptrace(PTRACE_PEEKUSER, pid, EAX*4, NULL);
                printf("with return value= %ld\n", returnValue);
                flag=0;
            }
            ptrace(PTRACE_SYSCALL,pid,NULL,NULL);
        }
    }
... 

在上面的程序中，fork出的子进程先调用了ptrace(PTRACE_TRACEME)表示子进程让父进程跟踪自己。然后子进程调用 execl加载执行了HelloWorld。而在父进程中则使用wait系统调用等待子进程的状态改变。子进程因为设置了PTRACE_TRACEME而 在执行系统调用被系统停止(设置为TASK_TRACED)，这时父进程被唤醒，使用ptrace(PTRACE_PEEKUSER,pid,...)分 别去读取子进程执行的系统调用ID(放在ORIG_EAX中)以及系统调用返回时的值(放在EAX中)。然后使用ptrace (PTRACE_SYSCALL,pid,...)指示子进程运行到下一次执行系统调用的时候(进入或者退出)，直到子进程退出为止。 

程序的执行结果如下: 
Process executed system call ID = 11 
Process executed system call ID = 45 with return value= 134520832 
Process executed system call ID = 192 with return value= -1208934400 
Process executed system call ID = 33 with return value= -2 
Process executed system call ID = 5 with return value= -2 
... 
其中，11号系统调用就是execve，45号是brk,192是mmap2,33是access,5是open...经过比对可以发现，和 strace的输出结果一样。当然strace进行了更详尽和完善的处理，我们这里只是揭示其原理，感兴趣的同学可以去研究一下strace的实现。 

PS: 
1). 在系统调用执行的时候，会执行pushl %eax # 保存系统调用号ORIG_EAX在程序用户栈中。 
2). 在系统调用返回的时候，会执行movl %eax,EAX(%esp)将系统调用的返回值放入寄存器%eax中。 
3). WIFEXITED()宏用来判断子进程是否为正常退出的，如果是，它会返回一个非零值。 
4). 被跟踪的程序在进入或者退出某次系统调用的时候都会触发一个SIGTRAP信号，而被父进程捕获。 
5). execve()系统调用执行成功的时候并没有返回值，因为它开始执行一段新的程序，并没有"返回"的概念。失败的时候会返回-1。 
6). 在父进程进行进行操作的时候，用ps查看，可以看到子进程的状态为T,表示子进程处于TASK_TRACED状态。当然为了更具操作性，你可以在父进程中加入sleep()。