ptrace 调式详解

在程序出现bug的时候，最好的解决办法就是通过 GDB 调试程序，然后找到程序出现问题的地方。比如程序出现 段错误（内存地址不合法）时，就可以通过 GDB 找到程序哪里访问了不合法的内存地址而导致的。

本文不是介绍GDB不是使用方式，而是大概介绍 GDB 的实现原理，当然是 GDB 是一个庞大而复杂的项目，不可能只通过一篇文章就能解释清楚，所以本文主要是介绍 GDB 使用的核心的技术 - ptrace。

一，ptrace系统调用

ptrace() 系统调用是 Linux 提供的一个调试进程的工具，ptrace() 系统调用非常强大，它提供非常多的调试方式让我们去调试某一个进程，下面是 ptrace() 系统调用的定义：

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

下面解释一下 ptrace() 各个参数的作用：

request：指定调试的指令，指令的类型很多，如：PTRACE_TRACEME、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_CONT、PTRACE_GETREGS等等，下面会介绍不同指令的作用。

pid：进程的ID（这个不用解释了）。

addr：进程的某个地址空间，可以通过这个参数对进程的某个地址进行读或写操作。

data：根据不同的指令，有不同的用途，下面会介绍。

二，ptrace使用示例

下面通过一个简单例子来说明 ptrace() 系统调用的使用，这个例子主要介绍怎么使用 ptrace() 系统调用获取当前被调试（追踪）进程的各个寄存器的值，代码如下（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();  // 创建一个子进程if(child == 0) { // 子进程ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL); // 表示当前进程进入被追踪状态execl("/bin/ls", "ls", NULL);          // 执行 `/bin/ls` 程序} else { // 父进程wait(NULL); // 等待子进程发送一个 SIGCHLD 信号ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, ®s); // 获取子进程的各个寄存器的值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); // 继续运行子进程sleep(1);}return 0;
}

通过命令 gcc ptrace.c -o ptrace 编译并运行上面的程序会输出如下结果：

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

上面结果的第一行是由父进程输出的，主要是打印了子进程执行 /bin/ls 程序后各个寄存器的值。而第二行是由子进程输出的，主要是打印了执行 /bin/ls 程序后面输出的结果。

下面解释一下上面程序的执行流程：

主进程调用 fork() 系统调用创建一个子进程。

的进程调用 ptrace(PTRACE_TRACEME,...) 把自己设置为被追踪状态，并且调用 execl() 执行 /bin/ls 程序。

被设置为追踪（TRACE）状态的子进程执行 execl() 的程序后，会向父进程发送 SIGCHLD 信号，并且暂停自身的执行。

父进程通过调用 wait() 接收子进程发送过来的信号，并且开始追踪子进程。

父进程通过调用 ptrace(PTRACE_GETREGS, child, ...) 来获取到子进程各个寄存器的值，并且打印寄存器的值。

父进程通过调用 ptrace(PTRACE_CONT, child, ...) 让子进程继续执行下去。

从上面的例子可以知道，通过向 ptrace() 函数的 request 参数传入不同的值时，就会有不同的效果。比如传入 PTRACE_TRACEME 就可以让进程进入被追踪状态，而转入 PTRACE_GETREGS 时，就可以获取被追踪的子进程各个寄存器的值等。