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实战能力|一文看懂GDB调试底层实现

發(fā)布時間：2024/4/11 编程问答 52 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了实战能力|一文看懂GDB调试底层实现小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

在程序出現(xiàn)bug的時候，最好的解決辦法就是通過?GDB?調(diào)試程序，然后找到程序出現(xiàn)問題的地方。比如程序出現(xiàn)?段錯誤（內(nèi)存地址不合法）時，就可以通過?GDB?找到程序哪里訪問了不合法的內(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 是一個龐大而復(fù)雜的項(xiàng)目，不可能只通過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()?各個參數(shù)的作用：

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

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

下面通過一個簡單例子來說明?ptrace()?系統(tǒng)調(diào)用的使用，這個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?SIGCHLD?信號ptrace(PTRACE_GETREGS,?child,?NULL,?&regs);?//?獲取子進(jìn)程的各個寄存器的值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; }

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

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，會向父進(jìn)程發(fā)送?SIGCHLD?信號，并且暫停自身的執(zhí)行。

父進(jìn)程通過調(diào)用?wait()?接收子進(jìn)程發(fā)送過來的信號，并且開始追蹤子進(jìn)程。

父進(jìn)程通過調(diào)用?ptrace(PTRACE_GETREGS, child, ...)?來獲取到子進(jìn)程各個寄存器的值，并且打印寄存器的值。

父進(jìn)程通過調(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，通過向?ptrace()?函數(shù)的?request?參數(shù)傳入不同的值時，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，就可以獲取被追蹤的子進(jìn)程各個寄存器的值等。

本來我想使用?ptrace?實(shí)現(xiàn)一個簡單的調(diào)試工具，但在網(wǎng)上找到了一位 Google 的大神?Eli Bendersky?寫了類似的系列文章，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)一個簡單的進(jìn)程調(diào)試工具，而沒有介紹?ptrace?的原理和實(shí)現(xiàn)，所以這里為了填補(bǔ)這個空缺，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)存管理和信號處理相關(guān)知識。

調(diào)用?ptrace()?系統(tǒng)函數(shù)時會觸發(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?switch?語句，會傳入的?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?對應(yīng)的進(jìn)程?task_struct?對象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?對象。然后根據(jù)傳入不同的?request?參數(shù)在?switch?語句中進(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，所以本文只會挑選一些比較有代表性的操作進(jìn)行解說，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)試一個進(jìn)程時，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？有兩個方法：

被調(diào)試的進(jìn)程調(diào)用?ptrace(PTRACE_TRACEME, ...)?來使自己進(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)程自己主動進(jìn)入被追蹤模式，而第二種是進(jìn)程被動進(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 會對被追蹤的進(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?PTRACE_TRACEME?的處理就是把當(dāng)前進(jìn)程標(biāo)志為?PTRACE?狀態(tài)。

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

我們來看看?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，執(zhí)行?exec()?函數(shù)后便會發(fā)送一個?SIGTRAP?的信號給當(dāng)前進(jìn)程。

我們再來看看，進(jìn)程是怎么處理?SIGTRAP?信號的。信號是通過?do_signal()?函數(shù)進(jìn)行處理的，而對?SIGTRAP?信號的處理邏輯如下：

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

traceme

當(dāng)父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）接收到?SIGCHLD?信號后，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）可以通過調(diào)用?ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, addr, data)?來獲取被調(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大小為 4字節(jié)的數(shù)據(jù)。

我們來看看?ptrace()?對?PTRACE_PEEKDATA?操作的處理過程，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?PTRACE_PEEKTEXT?和?PTRACE_PEEKDATA?的處理是相同的，主要是通過調(diào)用?access_process_vm()?函數(shù)來讀取被調(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，可以參考我以前對內(nèi)存管理分析的文章，這里主要大概說明一下?access_process_vm()?的原理。

我們知道每個進(jìn)程都有個?mm_struct?的內(nèi)存管理對象，而?mm_struct?對象有個表示虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射關(guān)系的頁目錄的指針?pgd。如下：

struct?mm_struct?{...pgd_t?*pgd;?/*?頁目錄指針?*/... }

而?access_process_vm()?函數(shù)就是通過進(jìn)程的頁目錄來找到?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：

memory_map

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)程沒執(zhí)行一條CPU指令都會停止執(zhí)行，并且向父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）發(fā)送一個 SIGCHLD 信號。

我們來看看?ptrace()?函數(shù)對?PTRACE_SINGLESTEP?操作的處理過程，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 提供了一個硬件的機(jī)制，就是通過把?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)行一條指令便會產(chǎn)生一個異常，然后會觸發(fā) Linux 的異常處理，Linux 便會發(fā)送一個?SIGTRAP?信號給被調(diào)試的進(jìn)程。eflags?寄存器的各個標(biāo)志如下圖：

eflags-register

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)試過程如下圖：

single-trace

處于單步調(diào)試模式時，被調(diào)試進(jìn)程每執(zhí)行一條指令都會觸發(fā)一次?SIGTRAP?信號，而被調(diào)試進(jìn)程處理?SIGTRAP?信號時會發(fā)送一個?SIGCHLD?信號給父進(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)，或者通過調(diào)用?ptrace(PTRACE_CONT, child,...)?來讓被調(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，沒能對其所有功能進(jìn)行分析。另外斷點(diǎn)功能并不是通過?ptrace()?函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而是通過?int3?指令來實(shí)現(xiàn)的，在?Eli Bendersky?大神的文章有介紹。而對于?ptrace()?的所有功能，只能讀者自己慢慢看代碼來體會了。

- END -

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是對文章最大的贊賞，極客重生感謝你

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的实战能力|一文看懂GDB调试底层实现的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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