linux ptrace 图文详解（二） PTRACE_TRACEME 跟踪程序

目录

一、基础介绍

二、PTRACE_TRACE 实现原理

三、代码实现

四、总结

 （代码：linux 6.3.1，架构：arm64）

One look is worth a thousand words.  —— Tess Flanders

一、基础介绍

        GDB（GNU Debugger）是 Linux 系统中功能强大的调试工具，用于调试 C、C++ 等编程语言编写的程序。GDB 支持两种主要的调试方式："gdb主动加载被调试程序" 和 "gdb通过 attach 调试正在运行的程序"。这两种方式各有特点，适用于不同的调试场景。

        1）在 主动加载被调试程序 的方式中：GDB 通过 fork 和 exec 系统调用启动目标程序，并使用 ptrace 对其进行控制。这种方式适用于从头开始调试程序，开发者可以在程序启动时设置断点、单步执行或观察变量的初始状态。

        2）在 通过 attach 调试正在运行的程序 的方式中：GDB 通过 ptrace 附加到目标进程的 PID，直接接管其执行流程。这种方式适用于调试已经运行的程序，尤其是当程序出现崩溃、死锁或性能问题时，开发者可以实时分析程序的状态、调用栈和内存信息。

        两种调试方式的对比：

二、PTRACE_TRACE 实现原理

        以上就是 gdb 加载“被调试程序”启动阶段时的完整实现流程：

        1）gdb 调用 fork 创建子进程，用作后续的被调试程序，fork执行完毕后，gdb就调用wait系统调用等待在子进程上；

        2）子进程调用ptrace系统调用，请求类型为PTRACE_TRACEME，在内核中给子进程的task_struct对象置上PT_PTRACED标志；

        3）子进程调用exec，加载被调试程序的ELF文件；

        4）内核中调用 load_elf_binary 完成ELF加载工作；

        5）在内核的 exec 末期，发现自身置位了PT_PTRACED标志，于是调用ptrace_notify，给子进程自身发送一个SIGTRAP信号（用于后续将子进程挂起）；

        6）子进程exec系统调用执行完毕后，在返回用户态前夕检查信号，发现自身有一个SIGTRAP信号需要处理，于是走信号处理流程；

        7）子进程在内核的信号处理流程中，发送SIGCHLD信号给父进程gdb，并唤醒父进程gdb，同时将自身挂起；

        8）gdb被唤醒后，控制权交给用户，用户可以对被调试程序进行一系列操作（如：打断点、观察点等）；

        9）用户操作完毕后，输入 continue指令，让目标程序继续运行。该指令实际会调用ptrace(PTRACE_CONT) 系统调用，在内核中该系统调用会将子进程唤醒；

        10）子进程被唤醒后，重新返回到用户态，开始执行第一条指令！

三、代码实现

1、gdb 加载 被调试程序

start_command {
	run_command_1 {
		run_target->create_inferior (exec_file, current_inferior ()->args (),
									 current_inferior ()->environment.envp (), from_tty)
		{
			fork_inferior(exec_file, allargs, env, void (*traceme_fun) () = gnu_ptrace_me, NULL, NULL, NULL, NULL) {
				pid = fork ()
				
				if (pid == 0) {					/* 子进程（被调试程序） */
					(*traceme_fun) ()
					A.K.A
					gnu_ptrace_me {
						ptrace (PTRACE_TRACEME)
					}
					
					execvp (argv[0], &argv[0])	// 加载被调试程序ELF
				}
				
				return pid	/* 父进程（GDB）: 返回子进程pid */
			}
			
			...
		}
	}
}

2、PTRACE_TRACEME 内核实现

SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr,
		unsigned long, data)
{
	if (request == PTRACE_TRACEME) {
		ptrace_traceme() {
			write_lock_irq(&tasklist_lock)
			
			if (!current->ptrace) {
				ret = security_ptrace_traceme(struct task_struct *parent = current->parent) {
					return cap_ptrace_traceme(parent)
				}
				
				if (!ret && !(current->real_parent->flags & PF_EXITING)) {
					current->ptrace = PT_PTRACED				// <<<<<<  子进程标记自己处于“PTRACED状态”  <<<<<<
					ptrace_link(current, current->real_parent)
				}
			}
			
			write_unlock_irq(&tasklist_lock)
		}
	}
	
	...
}

3、PTRACE_CONT 内核实现

ptrace_request(struct task_struct *child, long request, unsigned long addr, unsigned long data) {
	switch (request) {

	case PTRACE_CONT:
		return ptrace_resume(child, request, data) {
			... 	/* PTRACE跟踪syscall、单步调试等处理 */
			
			spin_lock_irq(&child->sighand->siglock)
			
			child->exit_code = data
			child->jobctl &= ~JOBCTL_TRACED
			
			wake_up_state(child, __TASK_TRACED) {
				return try_to_wake_up(p, state, 0)		// <<<<< 尝试唤醒被调试程序 <<<<<
			}
			
			spin_unlock_irq(&child->sighand->siglock)
		}
	}
}

4、内核 exec执行完毕后，返回用户态前夕，发送SIGCHLD给父进程gdb

// gdb通过fork创建出来的子进程, 调用exec加载被调试程序, 并给自己发送SIGTRAP信号
SYSCALL_DEFINE3(execve,
		const char __user *, filename,
		const char __user *const __user *, argv,
		const char __user *const __user *, envp)
{
	do_execve
		do_execveat_common
			bprm_execve
				exec_binprm {
					search_binary_handler {
						list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
							retval = fmt->load_binary(bprm)		// <<<<< 加载ELF程序 主体函数 <<<<<
						}
					}
					
					### 给自身发送SIGTRAP信号, 在exec系统调用执行完毕返回用户态前夕, 处理该信号
					ptrace_event(PTRACE_EVENT_EXEC, old_vpid) {
						if ((current->ptrace & (PT_PTRACED|PT_SEIZED)) == PT_PTRACED)
							send_sig(SIGTRAP, current, 0)
					}
				}
}

// 子进程exec执行完毕返回用户态前夕, 处理自身的SIGTRAP信号, 发送信号给GDB, 并将其唤醒, 随后自身挂起
exit_to_user_mode(regs) {
	prepare_exit_to_user_mode
		local_daif_mask
		do_notify_resume {
			if (thread_flags & (_TIF_SIGPENDING | _TIF_NOTIFY_SIGNAL))
				do_signal {
					get_signal
						ptrace_signal
							ptrace_stop(exit_code = signo, why = CLD_TRAPPED, 0, info)	/* Stop tracee itself, and notify parent tracer */
							{
								current->last_siginfo = info
								current->exit_code = exit_code
								
								do_notify_parent_cldstop(current, true, why) {
									info.si_signo  = SIGCHLD
									info.si_code   = why
									info.si_status = tsk->exit_code & 0x7f
									send_signal_locked(SIGCHLD, &info, parent, PIDTYPE_TGID)	// <<<<<< 发送信号给父进程GDB
									
									__wake_up_parent(tsk, parent)		// <<<<<< 唤醒父进程GDB
								}
								
								schedule()		// <<<<<< 被调试程序自身挂起
							}
				}
		}
}

四、总结

        gdb加载 “被调试程序” 进行调试的模式，主要依赖 PTRACE_TRACEME请求类型的ptrace系统调用，给子进程置上ptraced标记，后续子进程调用exec加载被调试程序ELF时给自己发送一个SIGTRAP信号，最后exec系统调用执行完毕并返回用户态前夕，在信号处理流程中，将自身挂起并唤醒GDB，让用户可以接管GDB串口，对被调试程序进行一系列调试操作。