linux ptrace 读内存,[原创] Linux ptrace详细分析系列（一）

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：

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：

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)。

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。

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：

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

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：

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

最后于 2021-3-5 14:38

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