如何讀懂GDB底層實(shí)現(xiàn)原理（從這幾點(diǎn)入手~）
在程序出現(xiàn)bug的時候，最好的解決辦法就是通過 GDB 調(diào)試程序，然后找到程序出現(xiàn)問題的地方。比如程序出現(xiàn) 段錯誤（內(nèi)存地址不合法）時，就可以通過 GDB 找到程序哪里訪問了不合法的內(nèi)存地址而導(dǎo)致的。
本文不是介紹 GDB 的使用方式，而是大概介紹 GDB 的實(shí)現(xiàn)原理，當(dāng)然 GDB 是一個龐大而復(fù)雜的項(xiàng)目，不可能只通過一篇文章就能解釋清楚，所以本文主要是介紹 GDB 使用的核心的技術(shù) - ptrace。
ptrace系統(tǒng)調(diào)用
ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用是 Linux 提供的一個調(diào)試進(jìn)程的工具，ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用非常強(qiáng)大，它提供非常多的調(diào)試方式讓我們?nèi)フ{(diào)試某一個進(jìn)程，下面是 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的定義：
下面解釋一下 ptrace() 各個參數(shù)的作用：
request：指定調(diào)試的指令，指令的類型很多，如：PTRACE_TRACEME、PTRACE_PEEKUSER、PTRACE_CONT、PTRACE_GETREGS等等，下面會介紹不同指令的作用。
pid：進(jìn)程的ID（這個不用解釋了）。
addr：進(jìn)程的某個地址空間，可以通過這個參數(shù)對進(jìn)程的某個地址進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>
data：根據(jù)不同的指令，有不同的用途，下面會介紹。
下面通過一個簡單例子來說明 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的使用，這個例子主要介紹怎么使用 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用獲取當(dāng)前被調(diào)試（追蹤）進(jìn)程的各個寄存器的值，代碼如下（ptrace.c）：
通過命令 gcc ptrace.c -o ptrace 編譯并運(yùn)行上面的程序會輸出如下結(jié)果：
上面結(jié)果的第一行是由父進(jìn)程輸出的，主要是打印了子進(jìn)程執(zhí)行 /bin/ls 程序后各個寄存器的值。而第二行是由子進(jìn)程輸出的，主要是打印了執(zhí)行 /bin/ls 程序后輸出的結(jié)果。
下面解釋一下上面程序的執(zhí)行流程：
主進(jìn)程調(diào)用 fork() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個子進(jìn)程。
子進(jìn)程調(diào)用 ptrace(PTRACE_TRACEME,...) 把自己設(shè)置為被追蹤狀態(tài)，并且調(diào)用 execl() 執(zhí)行 /bin/ls 程序。
被設(shè)置為追蹤（TRACE）狀態(tài)的子進(jìn)程執(zhí)行 execl() 的程序后，會向父進(jìn)程發(fā)送 SIGCHLD 信號，并且暫停自身的執(zhí)行。
父進(jìn)程通過調(diào)用 wait() 接收子進(jìn)程發(fā)送過來的信號，并且開始追蹤子進(jìn)程。
父進(jìn)程通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_GETREGS, child, ...) 來獲取到子進(jìn)程各個寄存器的值，并且打印寄存器的值。
父進(jìn)程通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_CONT, child, ...) 讓子進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行下去。
從上面的例子可以知道，通過向 ptrace() 函數(shù)的 request 參數(shù)傳入不同的值時，就有不同的效果。比如傳入 PTRACE_TRACEME 就可以讓進(jìn)程進(jìn)入被追蹤狀態(tài)，而傳入 PTRACE_GETREGS 時，就可以獲取被追蹤的子進(jìn)程各個寄存器的值等。
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本文使用的 Linux 2.4.16 版本的內(nèi)核 看懂本文需要的基礎(chǔ)：進(jìn)程調(diào)度，內(nèi)存管理和信號處理相關(guān)知識。
調(diào)用 ptrace() 系統(tǒng)函數(shù)時會觸發(fā)調(diào)用內(nèi)核的 sys_ptrace() 函數(shù)，由于不同的 CPU 架構(gòu)有著不同的調(diào)試方式，所以 Linux 為每種不同的 CPU 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不同的 sys_ptrace() 函數(shù)，而本文主要介紹的是 X86 CPU 的調(diào)試方式，所以 sys_ptrace() 函數(shù)所在文件是 linux-2.4.16/arch/i386/kernel/ptrace.c。
sys_ptrace() 函數(shù)的主體是一個 switch 語句，會傳入的 request 參數(shù)不同進(jìn)行不同的操作，如下：
從上面的代碼可以看出，sys_ptrace() 函數(shù)首先根據(jù)進(jìn)程的 pid 獲取到進(jìn)程的 task_struct 對象。然后根據(jù)傳入不同的 request 參數(shù)在 switch 語句中進(jìn)行不同的操作。
ptrace() 支持的所有 request 操作定義在 linux-2.4.16/include/linux/ptrace.h 文件中，如下：
由于 ptrace() 提供的操作比較多，所以本文只會挑選一些比較有代表性的操作進(jìn)行解說，比如 PTRACE_TRACEME、PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_PEEKTEXT、PTRACE_PEEKDATA 和 PTRACE_CONT 等，而其他的操作，有興趣的朋友可以自己去分析其實(shí)現(xiàn)原理。
進(jìn)入被追蹤模式（PTRACE_TRACEME操作）
當(dāng)要調(diào)試一個進(jìn)程時，需要使進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式，怎么使進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式呢？有兩個方法：
被調(diào)試的進(jìn)程調(diào)用 ptrace(PTRACE_TRACEME, ...) 來使自己進(jìn)入被追蹤模式。
調(diào)試進(jìn)程（如GDB）調(diào)用 ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, ...) 來使指定的進(jìn)程進(jìn)入被追蹤模式。
第一種方式是進(jìn)程自己主動進(jìn)入被追蹤模式，而第二種是進(jìn)程被動進(jìn)入被追蹤模式。
被調(diào)試的進(jìn)程必須進(jìn)入被追蹤模式才能進(jìn)行調(diào)試，因?yàn)?Linux 會對被追蹤的進(jìn)程進(jìn)行一些特殊的處理。下面我們主要介紹第一種進(jìn)入被追蹤模式的實(shí)現(xiàn)，就是 PTRACE_TRACEME 的操作過程，代碼如下：
從上面的代碼可以發(fā)現(xiàn)，ptrace() 對 PTRACE_TRACEME 的處理就是把當(dāng)前進(jìn)程標(biāo)志為 PTRACE 狀態(tài)。
當(dāng)然事情不會這么簡單，因?yàn)楫?dāng)一個進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)后，當(dāng)調(diào)用 exec() 函數(shù)去執(zhí)行一個外部程序時，將會暫停當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行，并且發(fā)送一個 SIGCHLD 給父進(jìn)程。父進(jìn)程接收到 SIGCHLD 信號后就可以對被調(diào)試的進(jìn)程進(jìn)行調(diào)試。
我們來看看 exec() 函數(shù)是怎樣實(shí)現(xiàn)上述功能的，exec() 函數(shù)的執(zhí)行過程為 sys_execve() -> do_execve() -> load_elf_binary()：
從上面代碼可以看出，當(dāng)進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)時，執(zhí)行 exec() 函數(shù)后便會發(fā)送一個 SIGTrap 的信號給當(dāng)前進(jìn)程。
我們再來看看，進(jìn)程是怎么處理 SIGTrap 信號的。信號是通過 do_signal() 函數(shù)進(jìn)行處理的，而對 SIGTrap 信號的處理邏輯如下：
上面的代碼主要做了3件事：
如果當(dāng)前進(jìn)程被標(biāo)記為 PTRACE 狀態(tài)，那么就使自己進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)。
發(fā)送 SIGCHLD 信號給父進(jìn)程。
讓出 CPU 的執(zhí)行權(quán)限，使 CPU 執(zhí)行其他進(jìn)程。
執(zhí)行以上過程后，被追蹤進(jìn)程便進(jìn)入了調(diào)試模式，過程如下圖：
當(dāng)父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）接收到 SIGCHLD 信號后，表示被調(diào)試進(jìn)程已經(jīng)標(biāo)記為被追蹤狀態(tài)并且停止運(yùn)行，那么調(diào)試進(jìn)程就可以開始進(jìn)行調(diào)試了。
獲取被調(diào)試進(jìn)程的內(nèi)存數(shù)據(jù)（PTRACE_PEEKTEXT / PTRACE_PEEKDATA）
調(diào)試進(jìn)程（如GDB）可以通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, addr, data) 來獲取被調(diào)試進(jìn)程 addr 處虛擬內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，但每次只能讀取一個大小為 4字節(jié)的數(shù)據(jù)。
我們來看看 ptrace() 對 PTRACE_PEEKDATA 操作的處理過程，代碼如下：
從上面代碼可以看出，對 PTRACE_PEEKTEXT 和 PTRACE_PEEKDATA 的處理是相同的，主要是通過調(diào)用 access_process_vm() 函數(shù)來讀取被調(diào)試進(jìn)程 addr 處的虛擬內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)。
access_process_vm() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要涉及到 內(nèi)存管理 相關(guān)的知識，可以參考我以前對內(nèi)存管理分析的文章，這里主要大概說明一下 access_process_vm() 的原理。
我們知道每個進(jìn)程都有個 mm_struct 的內(nèi)存管理對象，而 mm_struct 對象有個表示虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射關(guān)系的頁目錄的指針 pgd。如下：
而 access_process_vm() 函數(shù)就是通過進(jìn)程的頁目錄來找到 addr 虛擬內(nèi)存地址映射的物理內(nèi)存地址，然后把此物理內(nèi)存地址處的數(shù)據(jù)復(fù)制到 data 變量中。如下圖所示：
access_process_vm() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)這里就不分析了，有興趣的讀者可以參考我之前對內(nèi)存管理分析的文章自行進(jìn)行分析。
單步調(diào)試模式（PTRACE_SINGLESTEP）
單步調(diào)試是一個比較有趣的功能，當(dāng)把被調(diào)試進(jìn)程設(shè)置為單步調(diào)試模式后，被調(diào)試進(jìn)程沒執(zhí)行一條CPU指令都會停止執(zhí)行，并且向父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）發(fā)送一個 SIGCHLD 信號。
我們來看看 ptrace() 函數(shù)對 PTRACE_SINGLESTEP 操作的處理過程，代碼如下：
要把被調(diào)試的進(jìn)程設(shè)置為單步調(diào)試模式，英特爾的 X86 CPU 提供了一個硬件的機(jī)制，就是通過把 eflags 寄存器的 Trap Flag 設(shè)置為1即可。
當(dāng)把 eflags 寄存器的 Trap Flag 設(shè)置為1后，CPU 每執(zhí)行一條指令便會產(chǎn)生一個異常，然后會觸發(fā) Linux 的異常處理，Linux 便會發(fā)送一個 SIGTrap 信號給被調(diào)試的進(jìn)程。eflags 寄存器的各個標(biāo)志如下圖：
從上圖可知，eflags 寄存器的第8位就是單步調(diào)試模式的標(biāo)志。
所以 ptrace() 函數(shù)的以下2行代碼就是設(shè)置 eflags 進(jìn)程的單步調(diào)試標(biāo)志：
而 get_stack_long(proccess, offset) 函數(shù)用于獲取進(jìn)程棧 offset 處的值，而 EFL_OFFSET 偏移量就是 eflags 寄存器的值。所以上面兩行代碼的意思就是：
獲取進(jìn)程的 eflags 寄存器的值，并且設(shè)置 Trap Flag 標(biāo)志。
把新的值設(shè)置到進(jìn)程的 eflags 寄存器中。
設(shè)置完 eflags 寄存器的值后，就調(diào)用 wake_up_process() 函數(shù)把被調(diào)試的進(jìn)程喚醒，讓其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。單步調(diào)試過程如下圖：
處于單步調(diào)試模式時，被調(diào)試進(jìn)程每執(zhí)行一條指令都會觸發(fā)一次 SIGTrap 信號，而被調(diào)試進(jìn)程處理 SIGTrap 信號時會發(fā)送一個 SIGCHLD 信號給父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程），并且讓自己停止執(zhí)行。
而父進(jìn)程（調(diào)試進(jìn)程）接收到 SIGCHLD 后，就可以對被調(diào)試的進(jìn)程進(jìn)行各種操作，比如讀取被調(diào)試進(jìn)程內(nèi)存的數(shù)據(jù)和寄存器的數(shù)據(jù)，或者通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_CONT, child,...) 來讓被調(diào)試進(jìn)程進(jìn)行運(yùn)行等。
小結(jié)
由于 ptrace() 的功能十分強(qiáng)大，所以本文只能拋磚引玉，沒能對其所有功能進(jìn)行分析。另外斷點(diǎn)功能并不是通過 ptrace() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而是通過 int3 指令來實(shí)現(xiàn)的，在 Eli Bendersky 大神的文章有介紹。而對于 ptrace() 的所有功能，只能讀者自己慢慢看代碼來體會了。
