linux（4）-Ptrace 系统调用的使用

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问题

      利用ptrace系统调用实现一个简单的软件调试器。基本功能包括能够截获被调试进程的信号，被调试进程进入断点后能够查看被调试进程任意内存区域的内容，能够查看任意CPU寄存器的内容，能够使被调试进程恢复运行。

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运行环境

      Ubuntu-20.04 64位虚拟机

程序组成

      1，测试程序为test.c，这是后面要被测试的程序；它的可执行程序为test（采用-g进行编译）。
      2，Ptrace系统调用的实现程序为ptrace.c。

实现思路

      查看阅读ptrace官方文档（man ptrace），从文档的相关说明中有了大体的实现思路，摘自手册：
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.
      其中第一种是被动的，让别人来调试自己；第二种是主动去调试别人。后面采用第一种方法。
      Ptrace的函数原型为：
#include
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);
      参数request：请求ptrace执行的操作；参数pid：目标进程的ID；参数addr：目标进程的地址值；参数data：作用则根据request的不同而变化，如果需要向目标进程中写入数据，data存放的是需要写入的数据；如果从目标进程中读数据，data将存放返回的数据。如下图：

      需注意：当采用参数request为PTRACE_PEEKTEXT时，代码段中的数据被保存在返回值中。返回值为一个long类型。（经测试long和long long在当前环境上均为8字节长）

      在子进程中采用ptrace(PTRACE_TRACEME,0,0,0)，来让父进程来调试它，这个方法的执行应该在exec()函数执行前，来保证执行exec()时，子进程已经处于被调试状态。

      采用fork()，将父进程作为tracer，将子进程作为tracee；再通过exec ()函数族将待调试的程序装入到子进程中，并且exec()函数族在执行时若发现原进程处于调试状态下的话，当将新的代码装入后，会向自身发送信号SIGTRAP，中止执行，方便在父进程中来进行操作。

      父进程中通过简单的循环操作来接受用户的输入，对不同的输入进行不同的操作。所接受的用户指令有：退出（exit），查看大部分寄存器内容（regs），继续执行被调试进程（continue），列出子进程代码，查看特定内存处的内容（examin），添加断点，查看一共有多少条指令（insc），单步调试（step），列出当前rip指向的指令（list）。

模块划分

      1，获取用户输入的待调试程序，（这里输入的程序要求：不能带有参数，单线程，且需要在当前目录下）
      2，fork出一个子进程，采用execvp函数来装入待调试程序。
      3，父进程实现具体的操作来对子进程进行调试工作。

完整代码

      ptrace.c:

#include
#include
#include
#include
#include//存放结构体 user_regs_struct 信息
#include
#include
#include
#include

int main()
{
	const int SIZE=32;//表明用户输入的最大长度
	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);//获得用户输入,包括'\n'
	int len=strlen(arg[0]);
	arg[0][len-1]='\0';//将最后的'\n'变为'\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))//执行用户命令,收到系统产生的SIGTRAP信号。
		{
			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;//存储子进程当前寄存器的值
		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";//默认查看当前内存地址之后40个字
		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)//查询寄存器内容操作
			{
				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字节。

				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;   //这里采用union联合类型来实现

				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);//偏移单位为字节数，正负均可。
					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
#include
int main()
{
	int i,j;
	i=5;
	j=10;
	return 0;
}

程序运行及结果

1，编译两个.c文件：gcc –o p ptrace.c gcc –g test.c –o test
2，最终，父进程支持的命令操作如下：
      a, exit 终止被调试程序（子进程），并且父进程退出
      b, continue 恢复子进程的执行， 父进程稍后退出
      c, regs 查看当前子进程的寄存器内容（很少用到的就不列出了）
      d, list 显示当前rip的内容，以及需要待执行的指令（更好的说法应该是：rip指向的内存处的8B长度的值）。
      e, step 单步执行
      f, examin 查看当前rip所指向的内存后面40B长的内容。按照字节来显示。
      g, insc 查看子进程需要单步执行的步数。

1，运行程序（此时被调试程序相当于进入断点，等待输入命令）

2，查看寄存器内容 regs list 和step命令

3，查看寄存器rip所指向地址后40个字节的内容。 命令 examin 后输入 1 即可。
查看指定内存处内容，内存地址不好输入，在此选择相对于rip的偏移来间接查看任意内存处的值。 命令 examin 后， 输入 2 ，输入相对于rip的偏移地址，
比如：下面分别输入+20 和 -20，内存处的内容如下图所示。并且通过 命令 continue 让被调试程序继续执行。此时退出状态为0

4，命令insc 会将被调试程序单步运行一遍，算出所需的机器指令数。 再通过命令 exit 退出。