linux ptrace学习

ptrace提供了一种使父进程得以监视和控制其它进程的方式，它还能够改变子进程中的寄存器和内核映像，因而可以实现断点调试和系统调用的跟踪。学习linux的ptrace是为学习android adbi框架和古河的libinject做基础。

　　ptrace有四个参数：long ptrace(enum __ptrace_request request,pid_t pid,void *addr,void *data);第一个参数是重点，可设如下值：

PTRACE_ME　　　　ptrace(PTRACE_ME,0 ,0 ,0)；本进程被其父进程所跟踪

PTRACE_ATTACH　　ptrace(PTRACE_ATTACH,pid)；跟踪指定pid 进程

PTRACE_PEEKTEXT　　ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid, addr, data)；从内存地址中读取一个字节，内存地址由addr给出
 
PTRACE_PEEKDATA　　ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, addr, data)；从内存地址中读取一个字节，内存地址由addr给出
 
PTRACE_PEEKUSER　　ptrace(PTRACE_PEEKUSR, pid, addr, data)从USER区域中读取一个字节，偏移量为addr
 
PTRACE_POKETEXT　　ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, addr, data)；往内存地址中写入一个字节。内存地址由addr给出
 
PTRACE_POKEDATA　　ptrace(PTRACE_POKEDATA, pid, addr, data)；往内存地址中写入一个字节。内存地址由addr给出
 
PTRACE_POKEUSER　　ptrace(PTRACE_POKEUSR, pid, addr, data)；往USER区域中写入一个字节。偏移量为addr
 
PTRACE_GETREGS　　　ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, data)；读取寄存器
 
PTRACE_GETFPREGS　　ptrace(PTRACE_GETFPREGS, pid, 0, data)；读取浮点寄存器　　
 
PTRACE_SETREGS　　　ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, 0, data)；设置寄存器
 
PTRACE_SETFPREGS　　ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, 0, data)；设置浮点寄存器
 
PTRACE_CONT　　　ptrace(PTRACE_CONT, pid, 0, signal)；继续执行，signal为0则忽略引起调试进程中止的信号，若不为0则继续处理信号signal
 
PTRACE_SYSCALL　　ptrace(PTRACE_SYS, pid, 0, signal)；内核在子进程做出系统调用或者准备退出的时候暂停它；包含2个步骤：继续执行+系统调用是停止
 
PTRACE_SINGLESTEP　　ptrace(PTRACE_KILL, pid, 0, signle)；设置单步执行标志，单步执行一条指令
 
PTRACE_DETACH　　ptrace(PTRACE_DETACH,pid)；结束跟踪

PTRACE_KILL　　ptrace(PTRACE_KILL,pid)；杀掉子进程，使它退出

上面就是ptrace函数的用法，大体可以分为2类：控制流程——singleStep、cont...；获取或设置内容——getRegs、setRegs...。内容的获取和设置就不多说，拿张图来看下如何控制子进程执行：

  
1.子进程被ptrace
2.父进程调用ptrace带参数PTRACE_SYSCALL,让子进程在进入和退出系统调用时暂停；调用完ptrace后，wait触发
3.子进程要调用syscall(为何syscall？调用系统函数)了，此时因为父进程之前调用了PTRACE_SYSCALL，内核会暂停子进程并给父进程发信号
4.父进程得到信号后结束wait函数，去调用自己的函数去处理；处理完后调用带PTRACE_SYSCALL参数的ptrace函数，并wait
5.内核在父进程的ptrace函数后，让子进程继续执行；
6.子进程如愿的完成系统调用，但在退出系统调用前。因为父进程调用了PTRACE_SYSCALL,所以内核又暂停子进程并发信号给父进程
7.父进程得到信号从wait中退出，去执行自己的函数；处理完后调用带PTRACE_SYSCALL参数的ptrace函数，并wait
8.内核在父进程的ptrace函数后，让子进程继续执行；子进程退出系统调用继续执行直到下一个系统调用
......
  通过上面这么啰嗦的步骤，我想你一定get到ptrace是如何控制代码的执行了。当然上面仅仅是PTRACE_SYSCALL,但方法是相通的。ok，本来接下去应该是要实践下了。但是鉴于网上代码太多(直接看参考资料)，本人又玩不出新花样，就此略过。这里解释下关于参考资料中乌云的那篇文章的几个知识点：
1.getSysCallNo
  ARM架构上，所有的系统调用都是通过SWI(Dos下int指令类似)来实现的。并且在ARM 架构中有两个SWI指令，分别针对EABI和OABI：

OABI：old abi
mov   r0,#34       //设置子功能号位３４
SWI   12            //调用１２号软中断    
 
EABI：extend abi
mov  r0,#12       //  ;调用１２号软中断
mov r1,#34        // ;设置子功能号位３４
SWI　　０
 
SWI{cond}      immed_24     // ;immed_24为软中断号（服务类型）
//    1110 1111 0000 0000 -- SWI 0

  而为什么是获取(regs->ARM_pc - 4)地址的内容呢？先解释下pc的概念，pc是取指令的地址对于普通架构pc=当前执行指令地址+1*指令长度；而对于armv7的三级(取值、译码、执行)流水线来说pc=当前指令地址+8(2*4指令长度，arm指令32位，thunb指令16位)。而发生ptrace时，SWI指令是处于译码，故SWI指令的地址为PC-4(不同之处请一起探讨)。
2.libinject
 libinject中利用ptrace加载自定义so去执行自定义函数，其中获取系统函数地址涉及到/proc/pid/maps(可以看Linux Tips)知识且运用了linux中类似list_entry技术：
"因为libc.so在内存中的地址是随机的，所以我们需要先获取目标进程的libc.so的加载地址，再获取自己进程的libc.so的加载地址和sleep()在内存中的地址。然后我们就能计算出sleep()函数在目标进程中的地址了。”

ptrace android源码位于/bionic/libc/bionic/ptrace.cpp

long ptrace(int req, ...) {
  bool is_peek = (req == PTRACE_PEEKUSR || req == PTRACE_PEEKTEXT || req == PTRACE_PEEKDATA);
  long peek_result;
 
  va_list args;
  va_start(args, req);
  pid_t pid = va_arg(args, pid_t);
  void* addr = va_arg(args, void*);
  void* data;
  if (is_peek) {
    data = &peek_result;
  } else {
    data = va_arg(args, void*);
  }
  va_end(args);
 
  long result = __ptrace(req, pid, addr, data);
  if (is_peek && result == 0) {
    return peek_result;
  }
  return result;
}

看出实际是调用_ptrace来实现的，位于/bionic/libc/arch-arm/syscalls/__ptrace.S

ENTRY(__ptrace)
    mov     ip, r7
    ldr     r7, =__NR_ptrace
    swi     #0
    mov     r7, ip
    cmn     r0, #(MAX_ERRNO + 1)
    bxls    lr
    neg     r0, r0
    b       __set_errno_internal
END(__ptrace)

直接使用SWI调用系统函数ptrace，而_NR_ptrace是个宏定义为系统的调用号(参考android调用号和libc)。下篇以本文知识点开启adbi之旅。

参考资料：

　　1 玩转ptrace

　　2 安卓动态调试七种武器之离别钩 – Hooking（上）

3 为何ARM7中PC=PC+8

4 ptrace 跟踪多线程程序