linux-ptrace-图文详解一基础介绍
linux ptrace 图文详解（一）基础介绍
（代码： 6.3.1，架构：arm64）
One look is worth a thousand words. —— Tess Flanders
引言
在现代操作系统中，对于开发者来说，能够深入理解和控制进程的行为是解决复杂问题的关键。Linux提供了多种机制来实现这一目标，而 ptrace 系统调用无疑是其中最为强大和灵活的工具之一。尽管 ptrace 的功能强大，它的使用和实现原理却相对复杂，需要对操作系统内核机制有深入的理解。许多开发者在使用 ptrace 时，往往只停留在表面，而对于其底层实现知之甚少。
为了帮助开发者更好理解和应用ptrace，笔者将推出一系列文章，深入探讨 ptrace 的各个功能及其详细实现原理。本系列文章将从基础概念入手，逐步深入到每个功能的具体实现，包括： 进程控制、寄存器操作、内存读写、系统调用跟踪、断点设置、单步调试等 。
在本系列的第一篇文章中，笔者将对 ptrace 进行基本介绍，包括其定义、功能、应用场景等。通过这篇文章，读者将对 ptrace 有一个全面的了解，为后续深入学习ptrace实现原理打下坚实的基础。
让我们一起踏上探索 ptrace 的旅程，解锁其强大功能。
一、ptrace 基础介绍
ptrace 是 linux内核 提供的一个系统调用，并非一个标准的posix接口，ptrace 主要用于进程跟踪和调试。它运行一个用户态进程（通常称为跟踪器, Tracer）控制和监视另一个进程（称为被调试进程, Tracee）的执行。ptrace是许多调试跟踪工具（如：GDB、strace 等）的 “基座”，其函数原型如下：
参数：
request： 用于标识一个需要执行的操作；
pid： 标识目标线程ID
addr、data： 一个内存地址和附加信息，其语义因选择的操作而不同；
这里详细介绍下ptrace系统调用中的参数request，通过该参数，ptrace为用户态提供了丰富的进程调试跟踪功能。
1）PTRACE_TRACEME
允许当前进程被其父进程跟踪，通常用于GDB加载运行一个被调试程序；
2）PTRACE_PEEKTEXT
读取目标进程的代码段内容，通常用于GDB查看目标进程的指令代码；
3）PTRACE_PEEKDATA
读取目标进程的数据段内容，通常用于
GDB查看目标进程的全局变量、堆栈内容等 ；
4）PTRACE_PEEKUSER
读取目标进程的用户态寄存器和状态信息，通常用于GDB查看目标进程的PC、SP等；
5）PTRACE_POKETEXT
修改目标进程的代码段内容，用于GDB修改目标进程的指令代码，例如
设置 软断点 ；
6）PTRACE_POKEDATA
修改目标进程的数据段内容，用于
GDB修改目标进程的全局变量、堆栈内容等数据 ；
7）PTRACE_POKEUSER
修改目标进程的用户态寄存器和状态信息；
8）PTRACE_CONT
唤醒目标进程继续执行，通常用于
GDB的continue功能 ；
9）PTRACE_KILL
终止目标进程，用于GDB杀死被调试进程；
10）PTRACE_SINGLESTEP
单步执行目标进程，通常用于
GDB的 step单步调试 目标进程的功能 ；
11）PTRACE_GETREGS
获取目标进程的寄存器状态，如当前的程序计数器（PC）、栈指针（SP）等；
12）PTRACE_SETREGS
设置目标进程的寄存器状态；
13）PTRACE_ATTACH
用于attach到一个正在运行的目标进程，通常用于
GDB attach调试功能 ；
14）PTRACE_DETACH
从一个目标进程上detach，通常用于GDB解除对目标进程的调试功能；
15）PTRACE_SYSCALL
在目标进程的系统调用入口处、返回处暂停，通常
用于strace工具捕获目标进程的系统调用 ；
16）PTRACE_SETOPTIONS
设置目标进程的跟踪选项，通常用于
GDB设置是否对目标进程的一些操作（如：fork、pthread_create、exec、所有系统调用等）进行跟踪 ；
17）PTRACE_GETSIGINFO
获取目标进程的信号信息，通常用于
GDB获取目标进程的异常地址、exit_code、pending信号 等信息；
18）PTRACE_GETEVENTMSG
获取目标进程与特定 ptrace事件 相关联的消息，例如
GDB获取目标进程fork创建的子进程/子线程pid信息 、位于系统调用入口处/出口处 等信息；
19）PTRACE_GETREGSET
获取目标进程的寄存器集合；
20）PTRACE_SETREGSET
设置目标进程的寄存器集合，通常用于
GDB设置目标进程的 硬断点、观察点 ；
二、ptrace 常见应用场景
1、gdb进程调试
gdb对目标进程进行跟踪调试，其底下依赖的主要是linux内核中的 ptrace功能、以及 signal + wait 这两个用于同步的系统调用。通过ptrace接口，gdb可以对被调试进程进行一系列的调试跟踪操作。
2、strace 系统调用跟踪
strace是一个用户态的工具，其主要用途是跟踪目标进程执行期间的所有系统调用操作，获取对应系统调用的参数、返回值等信息。strace底层依赖的就是ptrace(PTRACE_SYSCALL)这一功能，做到对目标进程的所有系统调用操作进行监控。
3、动态注入
通过ptrace系统调用，可以用于向目标进程注入代码或数据，在某些情况下用于功能扩展或漏洞利用。
三、gdb 与 ptrace
这里简单介绍下GDB调试，GDB调试主要分为以下两种方法：
1）本地调试
该方式下，调试程序（GDB） 和 被调试程序（Tracee）运行在同一台电脑中。可以使用 “gdb加载运行被调试程序” 或 “gdb attach到正在运行的被调试程序” 这两个模式进行调试。
2）远程调试
GDB远程调试的方式，主要用于嵌入式的场景，由于GDB这个程序本身体积比较大，在某些容量比较下的嵌入式目标机中，没有充足的资源用于运行庞大的GDB。因此，GDB也提供远程调试的方式：gdb server程序 运行在目标机上，gdb client运行在调试机上。由于gdb server程序的体积比较小，所以可以在大部分嵌入式目标机上运行，gdb client运行在调试机上，通过网络/串口与目标机上运行的gdb server进行通知，并通过gdb server调试控制目标程序。
以下总结了gdb中常用的一些操作，以及其底层对应的ptrace操作。本系列后续文章将围绕以下功能进行深入探讨。
