一篇学会Linux ptrace 的实现

学会Linux ptrace 的实现

ptrace（Process Trace）是Linux内核提供的一个系统调用，它允许一个进程（称为tracer）跟踪另一个进程（称为tracee）的执行过程。通过ptrace，tracer可以控制tracee的执行，包括读取或修改其寄存器、内存、文件系统等。ptrace在调试、性能分析、进程间通信等方面有着广泛的应用。

1. ptrace的基本概念

ptrace提供了一系列的系统调用，用于控制tracee的执行。以下是一些基本的概念：

• ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, 0, 0)：使pid进程成为当前进程的子进程，即tracee。
• ptrace(PTRACE_DETACH, pid, 0, 0)：使pid进程脱离当前进程的控制，恢复其自立执行。
• ptrace(PTRACE_SINGLESTEP, pid, 0, 0)：使pid进程执行一条指令后暂停，等待tracer的控制。
• ptrace(PTRACE_CONT, pid, 0, 0)：使pid进程继续执行，直到遇到系统调用或出现其他事件。
• ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, regs, 0)：获取pid进程的寄存器值。
• ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, regs, 0)：设置pid进程的寄存器值。
• ptrace(PTRACE_GETREGSET, pid, regset, regs, 0)：获取pid进程的特定寄存器集的值。
• ptrace(PTRACE_SETREGSET, pid, regset, regs, 0)：设置pid进程的特定寄存器集的值。

2. ptrace的实现原理

ptrace的实现关键依存于Linux内核中的进程管理机制和寄存器管理机制。以下是对ptrace实现原理的简要介绍：

2.1 进程管理

Linux内核使用进程表来管理进程。每个进程都有一个进程表项（struct task_struct），其中包含了进程的寄存器、内存空间、文件系统等信息。ptrace通过修改进程表项中的信息，实现对tracee的控制。

2.2 寄存器管理User space

struct user_regs_struct {

unsigned long r15;

unsigned long r14;

unsigned long r13;

unsigned long r12;

unsigned long r11;

unsigned long r10;

unsigned long r9;

unsigned long r8;

unsigned long rdi;

unsigned long rsi;

unsigned long rbp;

unsigned long rdx;

unsigned long rcx;

unsigned long rax;

unsigned long rflags;

unsigned long rip;

unsigned long cs;

unsigned long fs;

unsigned long gs;

unsigned long ds;

unsigned long es;

};

Kernel space

struct pt_regs {

unsigned long preg_ip;

unsigned long preg_cs;

unsigned long preg_eflags;

unsigned long preg_eax;

unsigned long preg_ecx;

unsigned long preg_edx;

unsigned long preg_ebx;

unsigned long preg_esp;

unsigned long preg_ebp;

unsigned long preg_esi;

unsigned long preg_edi;

unsigned long preg_eip;

unsigned long preg_ss;

unsigned long preg_ds;

unsigned long preg_es;

unsigned long preg_fs;

unsigned long preg_gs;

unsigned long preg_orig_ax;

unsigned long preg_orig_ip;

unsigned long preg_orig_cs;

unsigned long preg_orig_eflags;

};

ptrace通过以下方案实现对寄存器的控制：

• 当tracee执行系统调用时，ptrace会拦截系统调用，并将tracee的寄存器值传递给tracer。
• tracer可以选用需要修改寄存器值，然后通过ptrace将修改后的寄存器值传递回tracee。
• 当tracee执行一条指令后，ptrace会选用tracer的控制指令，决定是否使tracee继续执行。

3. ptrace的应用实例

以下是一个易懂的示例，展示了怎样使用ptrace跟踪一个进程的执行过程：

#include <sys/types.h>
#include <sys
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