Linux 下的 ptrace：一种强大的进程跟踪和控制机制
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- 2024-02-09 20:57:24853浏览
ptrace 是 Linux 系统中一种特殊的系统调用，它可以让一个进程跟踪和控制另一个进程的执行，包括读写其内存、寄存器、信号等。ptrace 的功能非常强大，它可以用来实现诸如调试器、跟踪器、注入器等工具。但是，你真的了解 ptrace 的工作原理吗？你知道如何在 Linux 下使用 ptrace 吗？你知道 ptrace 的优点和缺点吗？本文将为你详细介绍 Linux 下的 ptrace 的相关知识，让你在 Linux 下更好地使用和理解这个强大的进程跟踪和控制机制。
ptrace提供让一个进程来控制另一个进程的能力，包括检测，修改被控制进程的代码，数据，寄存器，进而实现设置断点，注入代码和跟踪系统调用的功能。
这里把使用ptrace函数的进程称为tracer，被控制的进程称为tracee。
使用ptrace函数来拦截系统调用（system call）
操作系统向上层提供标准的API来执行与底层硬件交互的操作，这些标准API称为系统调用，每个系统调用都有一个调用编号，可以在unistd.h中查询。当进程触发一个系统调用时它会把参数放入寄存器中，然后通过软中断进入内核模式，通过内核来执行这个系统调用的代码。
在X86_64体系中，系统调用号保存在rax,调用参数依次保存在rdi,rsi,rdx,rcx,r8和r9中；而在x86体系中，系统调用号保存在寄存器eax中，其余的参数依次保存在ebx,ecx,edx,esi中
例如控制台打印所执行的系统调用为
write(1,"Hello",5)
翻译为汇编代码为
mov rax, 1 mov rdi, message mov rdx, 5 syscall message: db "Hello"
在执行系统调用时，内核先检测一个进程是否为tracee，如果是的话内核就会暂停该进程，然后把控制权转交给tracer，之后tracer就可以查看或者修改tracee的寄存器了。
示例代码如下
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t child;
long orig_rax;
child = fork();
if(child == 0)
{
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}
else
{
wait(NULL);
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
printf("the child made a system call %ld\n",orig_rax);
ptrace(PTRACE_CONT,child,NULL,NULL);
}
return 0;
}
//输出：the child made a system call 59
该程序通过fork创建出一个我们将要跟踪（trace）的子进程，在执行execl之前，子进程通过ptrace函数的PTRACE_TRACEME参数来告知内核自己将要被跟踪。
对于execl，这个函数实际上会触发execve这个系统调用，这时内核发现此进程为tracee，然后将其暂停，发送一个signal唤醒等待中的tracer(此程序中为主线程)。
当触发系统调用时，内核会将保存调用编号的rax寄存器的内容保存在orig_rax中，我们可以通过ptrace的PTRACE_PEEKUSER参数来读取。
ORIG_RAX为寄存器编号,保存在sys/reg.h中，而在64位系统中，每个寄存器有8个字节的大小，所以此处用8*ORIG_RAX来获取该寄存器地址。
当我们获取到系统调用编号以后，就可以通过ptrace的PTRACE_CONT参数来唤醒暂停中的子进程，让其继续执行。
ptrace参数
long ptrace(enum __ptrace_request request,pid_t pid,void addr, void *data);
参数request 控制ptrace函数的行为，定义在sys/ptrace.h中。
参数pid 指定tracee的进程号。
以上两个参数是必须的，之后两个参数分别为地址和数据，其含义由参数request控制。
具体request参数的取值及含义可查看帮助文档（控制台输入： man ptrace）
注意返回值，man手册上的说法是返回一个字的数据大小，在32位机器上是4个字节，在64位机器上是8个字节，都对应一个long的长度。百度可以搜到很多不负责的帖子说返回一个字节的数据是不对的！
读取系统调用参数
通过ptrace的PTRACE_PEEKUSER参数，我们可以查看USER区域的内容，例如查看寄存器的值。USER区域为一个结构体（定义在sys/user.h中的user结构体）。
内核将寄存器的值储存在该结构体中，便于tracer通过ptrace函数查看。
示例代码如下
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t child;
long orig_rax,rax;
long params[3]={0};
int status;
int insyscall = 0;
child = fork();
if(child == 0)
{
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}
else
{
while(1)
{
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
//printf("the child made a system call %ld\n",orig_rax);
if(orig_rax == SYS_write)
{
if(insyscall == 0)
{
insyscall = 1;
params[0] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RDI,NULL);
params[1] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RSI,NULL);
params[2] = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RDX,NULL);
printf("write called with %ld, %ld, %ld\n",params[0],params[1],params[2]);
}
else
{
rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*RAX,NULL);
printf("write returned with %ld\n",rax);
insyscall = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);
}
}
return 0;
}
/***
输出：
write called with 1, 25226320, 65
ptrace_1.c ptrace_2.c ptrace_3.C ptrace_4.C ptrace_5.c test.c
write returned with 65
***/
以上代码中我们查看write系统调用（由ls命令向控制台打印文字触发）的参数。
为了追踪系统调用，我们使用ptrace的PTRACE_SYSCALL参数，它会使tracee在触发系统调用或者结束系统调用时暂停，同时向tracer发送signal。
在之前的例子中我们使用PTRACE_PEEKUSER参数来查看系统调用的参数，同样的，我们也可以查看保存在RAX寄存器中的系统调用返回值。
上边代码中的status变量时用来检测是否tracee已经执行结束，是否需要继续等待tracee执行。
读取所有寄存器的值
这个例子中演示一个获取寄存器值的简便方法
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
pid_t child;
long orig_rax ,rax;
long params[3] = {0};
int status = 0;
int insyscall = 0;
struct user_regs_struct regs;
child = fork();
if(child == 0)
{
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}
else
{
while(1)
{
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
if(orig_rax == SYS_write)
{
if(insyscall == 0)
{
insyscall = 1;
ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s);
printf("write called with %llu, %llu, %llu\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx);
}
else
{
ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s);
printf("write returned with %ld\n",regs.rax);
insyscall = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);
}
}
return 0;
}
这个例子中通过PTRACE_GETREGS参数获取了所有的寄存器值。结构体user_regs_struct定义在sys/user.h中。
修改系统调用的参数
现在我们已经知道如何拦截一个系统调用并查看其参数了，接下来我们来修改它
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LONG_SIZE 8
//获取参数
char* getdata(pid_t child,unsigned long addr,unsigned long len)
{
char *str =(char*) malloc(len + 1);
memset(str,0,len +1);
union u{
long int val;
char chars[LONG_SIZE];
}word;
int i, j;
for(i = 0,j = len/LONG_SIZE; iif(word.val == -1)
perror("trace get data error");
memcpy(str+i*LONG_SIZE,word.chars,LONG_SIZE);
}
j = len % LONG_SIZE;
if(j != 0)
{
word.val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + i*LONG_SIZE,NULL);
if(word.val == -1)
perror("trace get data error");
memcpy(str+i*LONG_SIZE,word.chars,j);
}
return str;
}
//提交参数
void putdata(pid_t child,unsigned long addr,unsigned long len, char *newstr)
{
union u
{
long val;
char chars[LONG_SIZE];
}word;
int i,j;
for(i = 0, j = len/LONG_SIZE; iif(ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, addr+i*LONG_SIZE,word.val) == -1)
perror("trace error");
}
j = len % LONG_SIZE;
if(j !=0 )
{
memcpy(word.chars,newstr+i*LONG_SIZE,j);
ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, addr+i*LONG_SIZE,word.val);
}
}
//修改参数
void reserve(char *str,unsigned int len)
{
int i,j;
char tmp;
for(i=0,j=len-2; imain()
{
pid_t child;
child = fork();
if(child == 0)
{
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}
else
{
struct user_regs_struct regs;
int status = 0;
int toggle = 0;
while(1)
{
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
memset(®s,0,sizeof(struct user_regs_struct));
if(ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s) == -1)
{
perror("trace error");
}
if(regs.orig_rax == SYS_write)
{
if(toggle == 0)
{
toggle = 1;
//in x86_64 system call ,pass params with %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9
//no system call has over six params
printf("make write call params %llu, %llu, %llu\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx);
char *str = getdata(child,regs.rsi,regs.rdx);
printf("old str,len %lu:\n%s",strlen(str),str);
reserve(str,regs.rdx);
printf("hook str,len %lu:\n%s",strlen(str),str);
putdata(child,regs.rsi,regs.rdx,str);
free(str);
}
else
{
toggle = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);
}
}
return 0;
}
/***
输出：
make write call params 1, 9493584, 66
old str,len 66:
ptrace ptrace2 ptrace3 ptrace4 ptrace5 test test.s
hook str,len 66:
s.tset tset 5ecartp 4ecartp 3ecartp 2ecartp ecartp
s.tset tset 5ecartp 4ecartp 3ecartp 2ecartp ecartp
make write call params 1, 9493584, 65
old str,len 65:
ptrace_1.c ptrace_2.c ptrace_3.C ptrace_4.C ptrace_5.c test.c
hook str,len 65:
c.tset c.5_ecartp C.4_ecartp C.3_ecartp c.2_ecartp c.1_ecartp
c.tset c.5_ecartp C.4_ecartp C.3_ecartp c.2_ecartp c.1_ecartp
***/
这个例子中，综合了以上我们提到的所有知识。进一步得，我们使用了ptrace的PTRACE_POKEDATA参数来修改系统调用的参数值。
这个参数和PTRACE_PEEKDATA参数的作用相反，它可以修改tracee指定地址的数据。
单步调试
接下来介绍一个调试器中常用的操作，单步调试，它就用到了ptrace的PTRACE_SINGLESTEP参数。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define LONG_SIZE 8
void main()
{
pid_t chid;
chid = fork();
if(chid == 0)
{
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
//这里的test是一个输出hello world的小程序
execl("./test","test",NULL);
}
else
{
int status = 0;
struct user_regs_struct regs;
int start = 0;
long ins;
while(1)
{
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
ptrace(PTRACE_GETREGS,chid,NULL,®s);
if(start == 1)
{
ins = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,chid,regs.rip,NULL);
printf("EIP:%llx Instuction executed:%lx\n",regs.rip,ins);
}
if(regs.orig_rax == SYS_write)
{
start = 1;
ptrace(PTRACE_SINGLESTEP,chid,NULL,NULL);
}else{
ptrace(PTRACE_SYSCALL,chid,NULL,NULL);
}
}
}
}
通过rip寄存器的值来获取下一条要执行指令的地址，然后用PTRACE_PEEKDATA读取。
这样，就可以看到要执行的每条指令的机器码。
通过本文，你应该对 Linux 下的 ptrace 有了一个深入的了解，知道了它的定义、原理、用法和优点。你也应该明白了 ptrace 的适用场景和注意事项，以及如何在 Linux 下正确地使用 ptrace。我们建议你在需要跟踪和控制进程的执行时，使用 ptrace 来实现你的目标。同时，我们也提醒你在使用 ptrace 时要注意一些潜在的风险和问题，如权限、安全、兼容性等。希望本文能够帮助你更好地使用 Linux 系统，让你在 Linux 下体验 ptrace 的强大和灵活。
以上是Linux 下的 ptrace：一种强大的进程跟踪和控制机制的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！