文章目錄

• • 問題
  • 運行環境
  • 程序組成
  • 實現思路
  • 模塊劃分
  • 完整代碼
  • 程序運行及結果

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問題

??????利用ptrace系統調用實現一個簡單的軟件調試器。基本功能包括能夠截獲被調試進程的信號，被調試進程進入斷點后能夠查看被調試進程任意內存區域的內容，能夠查看任意CPU寄存器的內容，能夠使被調試進程恢復運行。

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運行環境

??????Ubuntu-20.04 64位虛擬機

程序組成

??????1，測試程序為test.c，這是后面要被測試的程序；它的可執行程序為test（采用-g進行編譯）。
??????2，Ptrace系統調用的實現程序為ptrace.c。

實現思路

??????查看閱讀ptrace官方文檔（man ptrace），從文檔的相關說明中有了大體的實現思路，摘自手冊：
A process can initiate a trace by calling fork and having the resulting child do a PTRACE_TRACEME, followed (typically) by an execve，Alternatively, one process may commence tracing another process using PTRACE_ATTACH or PTRACE_SEIZE.
??????其中第一種是被動的，讓別人來調試自己；第二種是主動去調試別人。后面采用第一種方法。
??????Ptrace的函數原型為：
#include <sys/ptrace.h>
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);
??????參數request：請求ptrace執行的操作；參數pid：目標進程的ID；參數addr：目標進程的地址值；參數data：作用則根據request的不同而變化，如果需要向目標進程中寫入數據，data存放的是需要寫入的數據；如果從目標進程中讀數據，data將存放返回的數據。如下圖：

??????需注意：當采用參數request為PTRACE_PEEKTEXT時，代碼段中的數據被保存在返回值中。返回值為一個long類型。（經測試long和long long在當前環境上均為8字節長）

??????在子進程中采用ptrace(PTRACE_TRACEME,0,0,0)，來讓父進程來調試它，這個方法的執行應該在exec()函數執行前，來保證執行exec()時，子進程已經處于被調試狀態。

??????采用fork()，將父進程作為tracer，將子進程作為tracee；再通過exec ()函數族將待調試的程序裝入到子進程中，并且exec()函數族在執行時若發現原進程處于調試狀態下的話，當將新的代碼裝入后，會向自身發送信號SIGTRAP，中止執行，方便在父進程中來進行操作。

??????父進程中通過簡單的循環操作來接受用戶的輸入，對不同的輸入進行不同的操作。所接受的用戶指令有：退出（exit），查看大部分寄存器內容（regs），繼續執行被調試進程（continue），列出子進程代碼，查看特定內存處的內容（examin），添加斷點，查看一共有多少條指令（insc），單步調試（step），列出當前rip指向的指令（list）。

模塊劃分

??????1，獲取用戶輸入的待調試程序，（這里輸入的程序要求：不能帶有參數，單線程，且需要在當前目錄下）
??????2，fork出一個子進程，采用execvp函數來裝入待調試程序。
??????3，父進程實現具體的操作來對子進程進行調試工作。

完整代碼

??????ptrace.c:

#include<stdio.h> #include<unistd.h> #include<sys/types.h> #include<sys/ptrace.h> #include<sys/user.h>//存放結構體 user_regs_struct 信息 #include<signal.h> #include<string.h> #include<stdlib.h> #include<sys/wait.h>int main() {const int SIZE=32;//表明用戶輸入的最大長度char* arg[2];for(int i=0;i<2;i++)arg[i]=NULL;printf("Input the program name as the tracee.(no parameter and in the pwd.)\n");arg[0]=(char*)malloc(SIZE);fgets(arg[0],SIZE-1,stdin);//獲得用戶輸入,包括'\n'int len=strlen(arg[0]);arg[0][len-1]='\0';//將最后的'\n'變為'\0'pid_t pid = fork();if (pid < 0)printf("error in fork().\n");else if (pid == 0){//printf("my pid is %d,I will be traced.\n\n", getpid());if(ptrace(PTRACE_TRACEME,0,0,0)<0){printf("error in ptrace().\n");exit(-2);}if (execvp(arg[0],arg))//執行用戶命令,收到系統產生的SIGTRAP信號。{printf("error in execvp().\n");free(arg[0]);exit(-1);}else{free(arg[0]);exit(0);}}else{int status;int i,j,k;char instruction[SIZE];struct user_regs_struct regs;//存儲子進程當前寄存器的值int count;//memset(instruction,0,SIZE*sizeof(char));const char* e="exit";const char* r="regs";const char* c="continue";const char* l="list";const char* ic="insc";const char* x="examin";//默認查看當前內存地址之后40個字const char* s="step";printf("Please wait...\n");sleep(0.5);while(1){//wait(&status);//printf("The signal child got: %s\n",strsignal(WSTOPSIG(status)));printf("ptrace> ");fgets(instruction,SIZE-1,stdin);while(instruction[i]!='\n')++i;instruction[i]='\0';if(strcmp(e,instruction)==0)//退出操作{ptrace(PTRACE_KILL,pid,NULL,NULL);break;}else if(strcmp(c,instruction)==0){ptrace(PTRACE_CONT,pid,NULL,NULL);sleep(1);break;}else if(strcmp(r,instruction)==0)//查詢寄存器內容操作{ptrace(PTRACE_GETREGS,pid,NULL,&regs);printf("rax %llx\nrbx %llx\nrcx %llx\nrdx %llx\nrsi %llx\n""rdi %llx\nrbp %llx\nrsp %llx\nrip %llx\neflags %llx\n""cs %llx\nss %llx\nds %llx\nes %llx\n",regs.rax,regs.rbx,regs.rcx,regs.rdx,regs.rsi,regs.rdi,regs.rbp,regs.rsp,regs.rip,regs.eflags,regs.cs,regs.ss,regs.ds,regs.es);}else if(strcmp(l,instruction)==0){// long 和long long在此都是8字節。ptrace(PTRACE_GETREGS,pid,NULL,&regs);long data=ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,pid,regs.rip,NULL);printf("The rip is %llx， The present instruction is: %lx\n",regs.rip,data);}else if(strcmp(ic,instruction)==0){count=0;while(1){wait(&status);if(WIFEXITED(status)){printf("count is %d\n",count);break;}ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,pid,NULL,NULL);count++;}}else if(strcmp(x,instruction)==0){printf("Please input 1,if you want to watch the 40 bytes after rip\n");printf("Please input 2,if you want to watch the 40 bytes atrer the memory you will assign\n");char ch;ch=getc(stdin);getchar();unsigned char temp[40];union u{unsigned long data;unsigned char t[8];}d; //這里采用union聯合類型來實現ptrace(PTRACE_GETREGS,pid,NULL,&regs);if(ch=='1'){for(int i=0;i<5;++i){d.data=ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,pid,regs.rip+i*8,NULL);memcpy(temp+8*i,d.t,8);}printf("The current location is %llx:\n The 40 bytes later are : ",regs.rip);}else if(ch =='2'){printf("The current rip is %llx: ,Please input offset: \n",regs.rip);//偏移單位為字節數，正負均可。int offset;scanf("%d",&offset);getchar();for(int i=0;i<5;++i){d.data=ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,pid,regs.rip+offset+i*8,NULL);memcpy(temp+8*i,d.t,8);}printf("The current location is %llx:\n The 40 bytes later are : ",regs.rip);}count=0;for(int i=0;i<40;i++){printf("%.2x",temp[i]);count++;if(count==8){count=0;printf(" ");}}printf("\n");}else if(strcmp(s,instruction)==0){wait(&status);if(WIFEXITED(status)){printf("Done.\n");break;}ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,pid,NULL,NULL);}else{printf("Invalid instruction!\n");}}wait(&status);printf("\nchild process quit with status %d.\n", status);}return 0;}

??????test.c:

#include<stdio.h> #include<unistd.h> int main() {int i,j;i=5;j=10;return 0; }

程序運行及結果

1，編譯兩個.c文件：gcc –o p ptrace.c gcc –g test.c –o test
2，最終，父進程支持的命令操作如下：
??????a, exit 終止被調試程序（子進程），并且父進程退出
??????b, continue 恢復子進程的執行， 父進程稍后退出
??????c, regs 查看當前子進程的寄存器內容（很少用到的就不列出了）
??????d, list 顯示當前rip的內容，以及需要待執行的指令（更好的說法應該是：rip指向的內存處的8B長度的值）。
??????e, step 單步執行
??????f, examin 查看當前rip所指向的內存后面40B長的內容。按照字節來顯示。
??????g, insc 查看子進程需要單步執行的步數。

1，運行程序（此時被調試程序相當于進入斷點，等待輸入命令）

2，查看寄存器內容 regs list 和step命令

3，查看寄存器rip所指向地址后40個字節的內容。 命令 examin 后輸入 1 即可。
查看指定內存處內容，內存地址不好輸入，在此選擇相對于rip的偏移來間接查看任意內存處的值。 命令 examin 后， 輸入 2 ，輸入相對于rip的偏移地址，
比如：下面分別輸入+20 和 -20，內存處的內容如下圖所示。并且通過 命令 continue 讓被調試程序繼續執行。此時退出狀態為0

4，命令insc 會將被調試程序單步運行一遍，算出所需的機器指令數。 再通過命令 exit 退出。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux（4）-Ptrace 系统调用的使用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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