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Linux Ptrace 详解
一、系统调用
操作系统提供一系列系统调用函数来为应用程序提供服务。关于系统调用的详细相关知识，可以查看<<程序员的自我修养》第十二章。
对于x86操作系统来说，用中断命令“int 0x80”来进行系统调用，系统调用前，需要将系统调用号放入到%EAX寄存器中，将系统的参数依次放入到寄存器%ebx、%ecx、%edx以及%esi和%edi中。 以write系统调用为例：
write(2,"Hello",5);
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在32位系统中会转换成：
movl $1,%eaxmovl $2,%ebxmovl $hello,%ecx movl $5,%edx int $0x80
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其中1为write的系统调用号，所有的系统调用号定义在unistd.h文件中，$hello 表示字符串“Hello”的地址；32位Linux系统通过0x80中断来进行系统调用。
64位系统用户应用层用整数寄存器%rdi ,%rsi,%rdx,%rcx, %r8以及 %r9来传参。而内核接口用%rdi ,%rsi,%rdx,%r10,&r8以及%r10来传参，并且用syscall指令而不是80中断进行系统调用。
rax来保存调用号和返回值。 二、ptrace 函数简介
#includelong ptrace（enum _ptrace_request request,pid_t pid,void * addr ,void *data）;
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ptrace()系统调用函数提供了一个进程（the “tracer”）监察和控制另一个进程（the “tracee”）的方法。并且可以检查和改变“tracee”进程的内存和寄存器里的数据。它可以用来实现断点调试和系统调用跟踪。
tracee首先需要被附着到tracer。在多线程进程中，每个线程都可以被附着到一个tracer。ptrace命令总是以ptrace(PTARCE_foo,pid,..)的形式发送到tracee进程。pid是tracee线程ID。
当一个进程可以开始跟踪进程通过调用fork函数创建子进程并让子进程执行PTRACE_TRACEME,然后子进程再调用（如果当前进程被ptrace,execve()成功执行后 SIGTRAP信号量会被发送到该进程）。一个进程也可以使用”PTRACE_ATTACH”或者”PTRACE_SEIZE”来跟踪另一个进程。
当进程被跟踪后，每当信号量传来，甚至信号量会被忽略时，tracee会暂停。tracer会在下次调用(或者其它wait系统调用)处被通知。该调用会返回一个包含tracee暂停原因信息的状态码。当tracee暂停后，tracer可以使用一系列ptrace请求来查看和修改tracee中的信息。tracer接着可以让tracee继续执行。tracee传递给tracer中的信号量通常被忽略。
当PTRACE_O_TRACEEXEC项未起作用时，所有成功执行execve()的tracee进程会被发送一个 SIGTRAP信号量后暂停，在新程序执行之前，父进程将会取得该进程的控制权。当tracer结束跟踪后，可以通过调用PTRACE_DETACH继续让tracee执行。
prace更多相关信息可以查看官方文档。
三、示例
1.ptrace追踪子进程执行exec()
#include#include #include #include #include #include /* For constants ORIG_RAX etc */ int main(){ pid_t child; long orig_rax; child=fork(); if(child==0){ ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); execl("/bin/ls","ls",NULL); }else{ wait(NULL); orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL); printf("The child made a system call %ld\n",orig_rax); ptrace(PTRACE_CONT,child,NULL,NULL); } }
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编译后输出：
The child made a system call 59user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ a.out attach.c~ ex1.c ex1.o ex2.c~ ex3.c ex3.o ex4.c~ victim.c~ attach.c attach.o ex1.c~ ex2.c ex2.o ex3.c~ ex4.c victim.c victim.o
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execl()函数对应的系统调用为__NR_execve，系统调用值为59。父进程通过调用fork()来创建子进程。在子进程中，先运行patrce().请求参数设为PTRACE_TRACE,来告诉内核当前进程被父进程trace，每当有信号量传递到当前进程，该进程会暂停，提醒父进程在wait()调用处继续执行。然后再调用execl()。当execl()函数成功执行后，新程序运行之前，SIGTRAP信号量会被发送到该进程，让子进程停止，这时父进程会在wait相关调用处被通知，获取子进程的控制权，可以查看子进程内存和寄存器相关信息。
当进程进行系统调用时，int会在内核栈中依次压入用户态的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP.中断处理程序的SAVE_ALL宏会将 依次将EAX、EBP、EDI、ESI、EDX、ECX、EBX寄存器值压入内核栈。调用ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL) 获取USER area信息时<sys/reg.h>文件定义了与内核栈寄存器数组顺序相同的下标：
#ifndef _SYS_REG_H#define _SYS_REG_H 1#ifdef __x86_64__/* Index into an array of 8 byte longs returned from ptrace for location of the users' stored general purpose registers. */# define R15 0 # define R14 1 # define R13 2 # define R12 3 # define RBP 4 # define RBX 5 # define R11 6 # define R10 7 # define R9 8 # define R8 9 # define RAX 10 # define RCX 11 # define RDX 12 # define RSI 13 # define RDI 14 # define ORIG_RAX 15 # define RIP 16 # define CS 17 # define EFLAGS 18 # define RSP 19 # define SS 20 # define FS_BASE 21 # define GS_BASE 22 # define DS 23 # define ES 24 # define FS 25 # define GS 26 #else /* Index into an array of 4 byte integers returned from ptrace for * location of the users' stored general purpose registers. */ # define EBX 0 # define ECX 1 # define EDX 2 # define ESI 3 # define EDI 4 # define EBP 5 # define EAX 6 # define DS 7 # define ES 8 # define FS 9 # define GS 10 # define ORIG_EAX 11 # define EIP 12 # define CS 13 # define EFL 14 # define UESP 15 # define SS 16 #endif
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这样8*ORIG_RAX就找到USER area 中 ORIG_RAX 寄存器值的保存地址。ORIG_RAX保存了系统调用号。
当检查完系统调用之后，可以调用ptrace并设置参数PTRACE_CONT让子进程继续进行。
2.读取子进程系统调用参数
//64位下乌班图程序#include#include #include #include #include #include int main(){ pid_t child; long orig_rax; int status; int iscalling=0; struct user_regs_struct regs; child = fork(); if(child==0){ ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL); execl("/bin/ls","ls","-l","-h",NULL); }else{ while(1){ wait(&status); if(WIFEXITED(status)) break; orig_rax=ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL); if(orig_rax == SYS_write){ ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s); if(!iscalling){ iscalling =1; printf("SYS_write call with %lld, %lld, %lld\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx); } else{ printf("SYS_write call return %lld\n",regs.rax); iscalling = 0; } } ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL); } } return 0; }
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编译后输出：
SYS_write call with 1, 140179049189376, 14总用量 28K SYS_write call return 14 SYS_write call with 1, 140179049189376, 51 -rw-rw-r-- 1 user1 user1 534 2月 26 18:02 ex1.c SYS_write call return 51 SYS_write call with 1, 140179049189376, 52 -rw-rw-r-- 1 user1 user1 534 2月 26 18:02 ex1.c~ SYS_write call return 52 SYS_write call with 1, 140179049189376, 53 -rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K 3月 2 13:02 hook2.c SYS_write call return 53 SYS_write call with 1, 140179049189376, 54 -rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K 3月 2 13:02 hook2.c~ SYS_write call return 54 SYS_write call with 1, 140179049189376, 53 -rwxrwxr-x 1 user1 user1 8.6K 3月 2 13:02 hook2.o SYS_write call return 53
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可以看到ls -l -h 执行了六次SYS_write系统调用。
PTRACE_PEEKUSER一个字一个字读取，也可以使用PTRACE_GETREGS参数直接将寄存器的值读取到结构体user_regs_struct 中，该结构体定义在sys/user.h中 对于PTRACE_STSCALL参数，该参数会像PTRACE_CONT一样使暂停的子进程继续执行，并在子进程下次进行系统调用前或系统调后，向子进程发送SINTRAP信号量，让子进程暂停。
WIFEXITED函数(宏)函数用来检查子进程是暂停还准备退出。
3.修改子进程系统调用参数
val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr,NULL)
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PTRACE_PEEKDATA、PTRACE_PEEKTEXT参数是在tracee内存的addr地址处读取一个字（sizeof(long））的数据，反回值是long 型的，可多次读取addr
现在，我们对系统调用write 输出的字符串参数进行反转：
#include#include #include #include #include #include #include #include #include #define long_size sizeof(long) void reverse(char * str) { int i,j; char temp; for(i=0,j=strlen(str)-2;i<=j;++i,--j){ temp=str[i]; str[i]=str[j]; str[j]=temp; } } void getdata(pid_t child,long addr,char * str,int len){ char * laddr; int i,j; union u{ long val; char chars[long_size]; } data; i=0; j=len/long_size; laddr=str; while(i
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输出：
user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ ./hook3.oo.3kooh ~c.3kooh c.3kooh o.2kooh ~c.2kooh c.2kooh ~c.1xe c.1xe
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4.向其它程序注入指令
我们追踪其它独立运行的进程时，需要使用下面的命令：
ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL)
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使pid进程成为被追踪的tracee进程。tracee进程会被发送一个SIGTOP信号量，tracee进程不会立即停止，直到完成本次系统调用。如果要结束追踪，则调用PTRACE_DETACH即可。
debug 设置断点的功能可以通过ptrace实现。原理是ATTACH正在运行的进程使其停止。然后读取该进程的指令寄存器IR（32位x86为EIP,64w的是RIP）内容所指向的指令，备份后替换成目标指令，再使其继续执行，此时被追踪进程就会执行我们替换的指令，运行完注入的指令之后，我们再恢复原进程的IR
,从而达到改变原程序运行逻辑的目的。tracee进程代码：
stdio.h>int main(){ int i=0; while(1){ printf("Hello,ptrace! [pid:%d]! num is %d\n",getpid(),i++); sleep(2); } return 0; } - 1
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tracer进程代码
#include#include #include #include #include #include #include #include #define long_size sizeof(long) void getdata(pid_t child, long addr ,char * str,int len){ char * laddr =str; int i,j; union u{ long val; char chars [long_size] ; } data; i=0; j=len/long_size; while(i
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先运行tracee.o 文件
$ ./tracee.o
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此时tracee.o输出：
Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 0Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 1Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 2 Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 3 ......
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再另打开一个shell运行attach.o文件
$ ./.attach.o 14384 //pid
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此时tracee.o执行到int 3断点指令停止，attach1,o输出：
tracee:RIP:0x7f48b0394f20 INST: 0x3173fffff0013d48 tracee:RIP:0x7f48b0394f23 INST: 0x8348c33100000000 Press Enter to continue tracee process
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按任意键tracee.o恢复执行
参考：