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[原创] Linux ptrace详细分析系列（一）
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发表于: 2021-2-2 11:35
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（该系列将深入分析Linux ptrace的方方面面，争取一次把它搞定，对后续调试或开发都有益处。不定期更新。）
备注：文章中使用的Linux内核源码版本为Linux 5.9，使用的Linux版本为Linux ubuntu 5.4.0-65-generic
ptrace系统调用提供了一个进程(tracer)可以控制另一个进程(tracee)运行的方法，并且tracer可以监控和修改tracee的内存和寄存器，主要用作实现断点调试和系统调用追踪。
tracee首先要被attach到tracer上，这里的attach以线程为对象，在多线程场景（这里的多线程场景指的使用clone CLONE_THREAD flag创建的线程组）下，每个线程可以分别被attach到tracer上。ptrace的命令总是以下面的调用格式发送到指定的tracee上：
一个进程可以通过调用fork()函数来初始化一个跟踪，并让生成的子进程执行PTRACE_TRACEME，然后执行execve(一般情况下)来启动跟踪。进程也可以使用PTRACE_ATTACH或PTRACE_SEIZE进行跟踪。
当处于被跟踪状态时，tracee每收到一个信号就会stop，即使是某些时候信号是被忽略的。tracer将在下一次调用waitpid或与wait相关的系统调用之一）时收到通知。该调用会返回一个状态值，包含tracee停止的原因。tracee发生stop时，tracer可以使用各种ptrace的request来检查和修改tracee。然后，tracer使tracee继续运行，选择性地忽略所传递的信号（甚至传递一个与原来不同的信号）。
当tracer结束跟踪后，发送PTRACE_DETACH信号释放tracee，tracee可以在常规状态下继续运行。
ptrace的原型如下：
其中request参数表明执行的行为（后续将重点介绍）， pid参数标识目标进程，addr参数表明执行peek和poke操作的地址，data参数则对于poke操作，指明存放数据的地址，对于peek操作，指明获取数据的地址。
返回值，成功执行时，PTRACE_PEEK请求返回所请求的数据，其他情况时返回0，失败则返回-1。
ptrace的内核实现在kernel/ptrace.c文件中，内核接口是SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)。其代码如下，整体逻辑简单，需要注意的是对PTRACE_TRACEME和PTRACE_ATTACH进行了特殊处理（对于该函数的参数后续将进行深入解析）。
系统调用都改为了SYSCALL_DEFINE的方式。如何获得上面的定义的呢？这里需要穿插一下SYSCALL_DEFINE的定义(syscall.h):
宏定义进行展开：
__SYSCALL_DEFINEx中的x表示系统调用的参数个数，且sys_ptrace的宏定义如下：
所以对应的__SYSCALL_DEFINEx应该是SYSCALL_DEFINE4，这与上面的定义SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)一致。
仔细观察上面的代码可以发现，函数定义其实在最后一行，结尾没有分号，然后再加上花括号即形成完整的函数定义。前面的几句代码并不是函数的实现（详细的分析可以跟踪源码，出于篇幅原因此处不放出每个宏定义的跟踪）。
定义的转换过程：
而对__MAP宏和__SC_DECL宏的定义如下：
按照如上定义继续进行展开
最后调用asmlinkage long sys_ptrace(long request, long pid, unsigned long addr, unsigned long data);。
为什么要将系统调用定义成宏？主要是因为2个内核漏洞CVE-2009-0029，CVE-2010-3301，Linux 2.6.28及以前版本的内核中，将系统调用中32位参数传入64位的寄存器时无法作符号扩展，可能导致系统崩溃或提权漏洞。
内核开发者通过将系统调用的所有输入参数都先转化成long类型（64位），再强制转化到相应的类型来规避这个漏洞。
首先通过一个简单的例子来熟悉一下ptrace的使用：
运行结果如下：
打印出系统调用号，并等待用户输入。查看/usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h文件（64位系统）查看59对应的系统调用：
59号恰好为execve函数调用。对上面的过程进行简单总结：
父进程通过调用fork()来创建子进程，在子进程中，执行execl()之前，先运行ptrace()，request参数设置为PTRACE_TRACEME来告诉kernel当前进程正在被trace。当有信号量传递到该进程，进程会stop，提醒父进程在wait()调用处继续执行。然后调用execl()，执行成功后，新程序运行前，SIGTRAP信号量被发送到该进程，子进程停止，父进程在wait()调用处收到通知，获取子进程的控制权，查看子进程内存和寄存器相关信息。
当发生系统调用时，kernel保存了rax寄存器的原始内容，其中存放的是系统调用号，我们可以使用request参数为PTRACE_PEEKUSER的ptrace来从子进程的USER段读取出该值。
系统调用检查结束后，子进程通过调用request参数为PTRACE_CONT的ptrace函数继续执行。
执行结果：
在上面的程序中，跟踪的是wirte的系统调用，ls命令总计进行了三次write的调用。request参数为PTEACE_SYSCALL时的ptrace使kernel在进行系统调用进入或退出时stop子进程，这等价于执行PTRACE_CONT并在下一次系统调用进入或退出时stop。
wait系统调用中的status变量用于检查子进程是否已退出，这是用来检查子进程是否被ptrace停掉或是否退出的典型方法。而宏WIFEXITED则表示了子进程是否正常结束（例如通过调用exit或者从main返回等），正常结束时返回true。
前面有介绍PTRACE_GETREGS参数，使用它来获取寄存器的值相比前面一种方法要简单很多：
执行结果：
整体输出与前面的代码无所差别，但在代码开发上使用了PTRACE_GETREGS来获取子进程的寄存器的值，简洁了很多。
[1]. https://www.linuxjournal.com/article/6100
[2]. https://blog.csdn.net/u012417380/article/details/60468697
[3]. Linux ptrace man page
ptrace(PTRACE_foom, pid, ...) // pid为linux中对应的线程ID
ptrace(PTRACE_foom, pid, ...) // pid为linux中对应的线程ID
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);
SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr,unsigned long, data)
{ struct task_struct *child;
long ret;
if (request == PTRACE_TRACEME) {
ret = ptrace_traceme();
if (!ret)
arch_ptrace_attach(current);
goto out;
}
child = find_get_task_by_vpid(pid);
if (!child) {
ret = -ESRCH;
goto out;
}
if (request == PTRACE_ATTACH || request == PTRACE_SEIZE) {
ret = ptrace_attach(child, request, addr, data);
/*
* Some architectures need to do book-keeping after
* a ptrace attach.
*/
if (!ret)
arch_ptrace_attach(child);
goto out_put_task_struct;
}
ret = ptrace_check_attach(child, request == PTRACE_KILL ||
request == PTRACE_INTERRUPT);
if (ret < 0)
goto out_put_task_struct;
ret = arch_ptrace(child, request, addr, data);
if (ret || request != PTRACE_DETACH)
ptrace_unfreeze_traced(child);
out_put_task_struct: put_task_struct(child);
out: return ret;
}SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr,unsigned long, data)
{ struct task_struct *child;
long ret;
if (request == PTRACE_TRACEME) {
ret = ptrace_traceme();
if (!ret)
arch_ptrace_attach(current);
goto out;
}
child = find_get_task_by_vpid(pid);
if (!child) {
ret = -ESRCH;
goto out;
}
if (request == PTRACE_ATTACH || request == PTRACE_SEIZE) {
ret = ptrace_attach(child, request, addr, data);
/*
* Some architectures need to do book-keeping after
* a ptrace attach.
*/
if (!ret)
arch_ptrace_attach(child);
goto out_put_task_struct;
}
ret = ptrace_check_attach(child, request == PTRACE_KILL ||
request == PTRACE_INTERRUPT);
if (ret < 0)
goto out_put_task_struct;
ret = arch_ptrace(child, request, addr, data);
if (ret || request != PTRACE_DETACH)
ptrace_unfreeze_traced(child);
out_put_task_struct: put_task_struct(child);
out: return ret;
}#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \ SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__) \
__SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
/*
* The asmlinkage stub is aliased to a function named __se_sys_*() which
* sign-extends 32-bit ints to longs whenever needed. The actual work is
* done within __do_sys_*().
*/
#ifndef __SYSCALL_DEFINEx#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \ __diag_push(); \
__diag_ignore(GCC, 8, "-Wattribute-alias", \
"Type aliasing is used to sanitize syscall arguments");\
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__)) \
__attribute__((alias(__stringify(__se_sys##name)))); \
ALLOW_ERROR_INJECTION(sys##name, ERRNO); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__));\
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)); \
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)) \
{ \
long ret = __do_sys##name(__MAP(x,__SC_CAST,__VA_ARGS__));\
__MAP(x,__SC_TEST,__VA_ARGS__); \
__PROTECT(x, ret,__MAP(x,__SC_ARGS,__VA_ARGS__)); \
return ret; \
} \
__diag_pop(); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))
#endif /* __SYSCALL_DEFINEx */#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \ SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__) \
__SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
/*
* The asmlinkage stub is aliased to a function named __se_sys_*() which
* sign-extends 32-bit ints to longs whenever needed. The actual work is
* done within __do_sys_*().
*/
#ifndef __SYSCALL_DEFINEx#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \ __diag_push(); \
__diag_ignore(GCC, 8, "-Wattribute-alias", \
"Type aliasing is used to sanitize syscall arguments");\
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__)) \
__attribute__((alias(__stringify(__se_sys##name)))); \
ALLOW_ERROR_INJECTION(sys##name, ERRNO); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__));\
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)); \
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)) \
{ \
long ret = __do_sys##name(__MAP(x,__SC_CAST,__VA_ARGS__));\
__MAP(x,__SC_TEST,__VA_ARGS__); \
__PROTECT(x, ret,__MAP(x,__SC_ARGS,__VA_ARGS__)); \
return ret; \
} \
__diag_pop(); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))
#endif /* __SYSCALL_DEFINEx *//* kernel/ptrace.c */
asmlinkage long sys_ptrace(long request, long pid, unsigned long addr,
unsigned long data);
/* kernel/ptrace.c */
asmlinkage long sys_ptrace(long request, long pid, unsigned long addr,
unsigned long data);
SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)
--> SYSCALL_DEFINEx(4, _ptrace, __VA_ARGS__)
--> __SYSCALL_DEFINEx(4, __ptrace, __VA_ARGS__)
#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__)) \
--> asmlinkage long sys_ptrace(__MAP(4,__SC_DECL,__VA_ARGS__))
SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)
--> SYSCALL_DEFINEx(4, _ptrace, __VA_ARGS__)
--> __SYSCALL_DEFINEx(4, __ptrace, __VA_ARGS__)
#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__)) \
--> asmlinkage long sys_ptrace(__MAP(4,__SC_DECL,__VA_ARGS__))
/*
* __MAP - apply a macro to syscall arguments
* __MAP(n, m, t1, a1, t2, a2, ..., tn, an) will expand to
* m(t1, a1), m(t2, a2), ..., m(tn, an)
* The first argument must be equal to the amount of type/name
* pairs given. Note that this list of pairs (i.e. the arguments
* of __MAP starting at the third one) is in the same format as
* for SYSCALL_DEFINE<n>/COMPAT_SYSCALL_DEFINE<n>
*/
#define __MAP0(m,...)#define __MAP1(m,t,a,...) m(t,a)#define __MAP2(m,t,a,...) m(t,a), __MAP1(m,__VA_ARGS__)#define __MAP3(m,t,a,...) m(t,a), __MAP2(m,__VA_ARGS__)#define __MAP4(m,t,a,...) m(t,a), __MAP3(m,__VA_ARGS__)#define __MAP5(m,t,a,...) m(t,a), __MAP4(m,__VA_ARGS__)#define __MAP6(m,t,a,...) m(t,a), __MAP5(m,__VA_ARGS__)#define __MAP(n,...) __MAP##n(__VA_ARGS__)#define __SC_DECL(t, a) t a/*
* __MAP - apply a macro to syscall arguments
* __MAP(n, m, t1, a1, t2, a2, ..., tn, an) will expand to
* m(t1, a1), m(t2, a2), ..., m(tn, an)
* The first argument must be equal to the amount of type/name
* pairs given. Note that this list of pairs (i.e. the arguments
* of __MAP starting at the third one) is in the same format as
* for SYSCALL_DEFINE<n>/COMPAT_SYSCALL_DEFINE<n>
*/
#define __MAP0(m,...)#define __MAP1(m,t,a,...) m(t,a)#define __MAP2(m,t,a,...) m(t,a), __MAP1(m,__VA_ARGS__)#define __MAP3(m,t,a,...) m(t,a), __MAP2(m,__VA_ARGS__)#define __MAP4(m,t,a,...) m(t,a), __MAP3(m,__VA_ARGS__)#define __MAP5(m,t,a,...) m(t,a), __MAP4(m,__VA_ARGS__)#define __MAP6(m,t,a,...) m(t,a), __MAP5(m,__VA_ARGS__)#define __MAP(n,...) __MAP##n(__VA_ARGS__)#define __SC_DECL(t, a) t a__MAP(4,__SC_DECL, long request, long pid, unsigned long addr,
unsigned long data)
--> __MAP4(__SC_DECL, long, request, long, pid, unsigned long, addr,
unsigned long, data)
--> __SC_DECL(long, request), __MAP3(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
__MAP3(__SC_DECL, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)
--> __SC_DECL(long, pid), __MAP2(__SC_DECL, unsigned long, addr, unsigned long, data)
-->__SC_DECL(unsigned long, addr), __MAP1(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
unsigned long addr, __SC_DECL(unsigned long, data)
--> unsigned long data
long pid, __SC_DECL(unsigned long, addr), __MAP1(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
--> long pid, unsigned long addr, unsigned long data
--> long request, __SC_DECL(long, pid), __MAP2(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
--> long request, long pid, unsigned long addr, unsigned long data
__MAP(4,__SC_DECL, long request, long pid, unsigned long addr,
unsigned long data)
--> __MAP4(__SC_DECL, long, request, long, pid, unsigned long, addr,
unsigned long, data)
--> __SC_DECL(long, request), __MAP3(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
__MAP3(__SC_DECL, long, pid, unsigned long, addr, unsigned long, data)
--> __SC_DECL(long, pid), __MAP2(__SC_DECL, unsigned long, addr, unsigned long, data)
-->__SC_DECL(unsigned long, addr), __MAP1(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
unsigned long addr, __SC_DECL(unsigned long, data)
--> unsigned long data
long pid, __SC_DECL(unsigned long, addr), __MAP1(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
--> long pid, unsigned long addr, unsigned long data
--> long request, __SC_DECL(long, pid), __MAP2(__SC_DECL, __VA_ARGS__)
--> long request, long pid, unsigned long addr, unsigned long data
[招生]科锐逆向工程师培训(2024年11月15日实地，远程教学同时开班, 第51期)
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你可以用strace跟踪一下看看，就能发现其中差别了 |
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老哥，你搞明白为啥了吗，我用strace调试了一下，没看出差别 |
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 是的 64位里打印这寄存器没有意义，只是单纯实现下功能
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7楼的师傅是正解 |
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楼主请教一下，我的Ubuntu 18.04上，上面代码输出是2次 wrtie 系统调用的返回，但是我用strace看ls它只有一次write，实在搞不懂多出来的1次wrtie是从哪里冒出来的
最后于 2021-8-15 12:35
被zingphoy编辑
，原因：
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附：我跑上面的代码（改了 insyscall==1 的bug了），以及手工 strace ls，都是在同一个文件夹下跑的 |
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32行 insyscall == 1; 应该改成 insyscall = 1; 实际只有一次write系统调用 另外37行 rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER, child, 8*rax, NULL); 获取返回值有问题， 可以换成 ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, ®s); printf("Write returned with %ld\n", regs.rax); |
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