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[原创] Linux ptrace详细分析系列（一）
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2021-2-2 11:35
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Linux ptrace 详解
（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
一、简述
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：
1 | ptrace(PTRACE_foom, pid, ...) // pid为linux中对应的线程ID |
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。
二、函数原型及初步使用
1. 函数原型
ptrace的原型如下：
1 | long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data); |
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。
2. 函数定义
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）。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 | 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;} |
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):
1 2 3 4 5 6 | #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__) |
宏定义进行展开：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 | #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 */ |
__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：
1 2 3 | /* kernel/ptrace.c */asmlinkage long sys_ptrace(long request, long pid, unsigned long addr, unsigned long data); |
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：
1 2 3 4 5 6 | 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__)) |
而对__MAP宏和__SC_DECL宏的定义如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | /* * __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 |
按照如上定义继续进行展开
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | __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 |
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。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | 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; \} \define __TYPE_AS(t, v) __same_type((__force t)0, v) /*判断t和v是否是同一个类型*/define __TYPE_IS_L(t) (__TYPE_AS(t, 0L)) /*判断t是否是long 类型,是返回1*/define __TYPE_IS_UL(t) (__TYPE_AS(t, 0UL)) /*判断t是否是unsigned long 类型,是返回1*/define __TYPE_IS_LL(t) (__TYPE_AS(t, 0LL) || __TYPE_AS(t, 0ULL)) /*是long类型就返回1*/define __SC_LONG(t, a) __typeof(__builtin_choose_expr(__TYPE_IS_LL(t), 0LL, 0L)) a /*将参数转换成long类型*/define __SC_CAST(t, a) (__force t) a /*转成成原来的类型*/define __force __attribute__((force)) /*表示所定义的变量类型可以做强制类型转换*/ |
2. 初步使用
1. 最简单的ls跟踪
首先通过一个简单的例子来熟悉一下ptrace的使用：
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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。
2. 系统调用查看参数
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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。
3. 系统调用参数-改进版
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：
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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。
参考文献
[1]. https://www.linuxjournal.com/article/6100
[2]. https://blog.csdn.net/u012417380/article/details/60468697
[3]. Linux ptrace man page
[CTF入门培训]顶尖高校博士及硕士团队亲授《30小时教你玩转CTF》，视频+靶场+题目！助力进入CTF世界
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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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