调试器工作原理(1):基础篇

本文是一系列探究调试器工作原理的文章的第一篇。我还不确定这个系列需要包括多少篇文章以及它们所涵盖的主题,但我打算从基础知识开始说起。

关于本文

我打算在这篇文章中介绍关于Linux下的调试器实现的主要组成部分——ptrace系统调用。本文中出现的代码都在32位的Ubuntu系统上开发。请注意,这里出现的代码是同平台紧密相关的,但移植到别的平台上应该不会太难。

动机

要想理解我们究竟要做什么,试着想象一下调试器是如何工作的。调试器可以启动某些进程,然后对其进行调试,或者将自己本身关联到一个已存在的进程之上。它可以单步运行代码,设置断点然后运行程序,检查变量的值以及跟踪调用栈。许多调试器已经拥有了一些高级特性,比如执行表达式并在被调试进程的地址空间中调用函数,甚至可以直接修改进程的代码并观察修改后的程序行为。

尽管现代的调试器都是复杂的大型程序,但令人惊讶的是构建调试器的基础确是如此的简单。调试器只用到了几个由操作系统以及编译器/链接器提供的基础服务,剩下的仅仅就是简单的编程问题了。(可查阅维基百科中关于这个词条的解释,作者是在反讽)

Linux下的调试——ptrace

Linux下调试器拥有一个瑞士军刀般的工具,这就是ptrace系统调用。这是一个功能众多且相当复杂的工具,能允许一个进程控制另一个进程的运行,而且可以监视和渗入到进程内部。ptrace本身需要一本中等篇幅的书才能对其进行完整的解释,这就是为什么我只打算通过例子把重点放在它的实际用途上。让我们继续深入探寻。

 

遍历进程的代码

我现在要写一个在“跟踪”模式下运行的进程的例子,这里我们要单步遍历这个进程的代码——由CPU所执行的机器码(汇编指令)。我会在这里给出例子代码,解释每个部分,本文结尾处你可以通过链接下载一份完整的C程序文件,可以自行编译执行并研究。从高层设计来说,我们要写一个程序,它产生一个子进程用来执行一个用户指定的命令,而父进程跟踪这个子进程。首先,main函数是这样的:

代码相当简单,我们通过fork产生一个新的子进程。随后的if语句块处理子进程(这里称为“目标进程”),而else if语句块处理父进程(这里称为“调试器”)。下面是目标进程:

这部分最有意思的地方在ptrace调用。ptrace的原型是(在sys/ptrace.h):

第一个参数是request,可以是预定义的以PTRACE_打头的常量值。第二个参数指定了进程id,第三以及第四个参数是地址和指向数据的指针,用来对内存做操作。上面代码段中的ptrace调用使用了PTRACE_TRACEME请求,这表示这个子进程要求操作系统内核允许它的父进程对其跟踪。这个请求在man手册中解释的非常清楚:

“表明这个进程由它的父进程来跟踪。任何发给这个进程的信号(除了SIGKILL)将导致该进程停止运行,而它的父进程会通过wait()获得通知。另外,该进程之后所有对exec()的调用都将使操作系统产生一个SIGTRAP信号发送给它,这让父进程有机会在新程序开始执行之前获得对子进程的控制权。如果不希望由父进程来跟踪的话,那就不应该使用这个请求。(pid、addr、data被忽略)”

我已经把这个例子中我们感兴趣的地方高亮显示了。注意,run_target在ptrace调用之后紧接着做的是通过execl来调用我们指定的程序。这里就会像我们高亮显示的部分所解释的那样,操作系统内核会在子进程开始执行execl中指定的程序之前停止该进程,并发送一个信号给父进程。

因此,是时候看看父进程需要做些什么了:

通过上面的代码我们可以回顾一下,一旦子进程开始执行exec调用,它就会停止然后接收到一个SIGTRAP信号。父进程通过第一个wait调用正在等待这个事件发生。一旦子进程停止(如果子进程由于发送的信号而停止运行,WIFSTOPPED就返回true),父进程就去检查这个事件。

父进程接下来要做的是本文中最有意思的地方。父进程通过PTRACE_SINGLESTEP以及子进程的id号来调用ptrace。这么做是告诉操作系统——请重新启动子进程,但当子进程执行了下一条指令后再将其停止。然后父进程再次等待子进程的停止,整个循环继续得以执行。当从wait中得到的不是关于子进程停止的信号时,循环结束。在正常运行这个跟踪程序时,会得到子进程正常退出(WIFEXITED会返回true)的信号。

icounter会统计子进程执行的指令数量。因此我们这个简单的例子实际上还是做了点有用的事情——通过在命令行上指定一个程序名,我们的例子会执行这个指定的程序,然后统计出从开始到结束该程序执行过的CPU指令总数。让我们看看实际运行的情况。

 

实际测试

我编译了下面这个简单的程序,然后在我们的跟踪程序下执行:

令我惊讶的是,我们的跟踪程序运行了很长的时间然后报告显示一共有超过100000条指令得到了执行。仅仅只是一个简单的printf调用,为什么会这样?答案非常有意思。默认情况下,Linux中的gcc编译器会动态链接到C运行时库。这意味着任何程序在运行时首先要做的事情是加载动态库。这需要很多代码实现——记住,我们这个简单的跟踪程序会针对每一条被执行的指令计数,不仅仅是main函数,而是整个进程。

因此,当我采用-static标志静态链接这个测试程序时(注意到可执行文件因此增加了500KB的大小,因为它静态链接了C运行时库),我们的跟踪程序报告显示只有7000条左右的指令被执行了。这还是非常多,但如果你了解到libc的初始化工作仍然先于main的执行,而清理工作会在main之后执行,那么这就完全说得通了。而且,printf也是一个复杂的函数。

我们还是不满足于此,我希望能看到一些可检测的东西,例如我可以从整体上看到每一条需要被执行的指令是什么。这一点我们可以通过汇编代码来得到。因此我把这个“Hello,world”程序汇编(gcc -S)为如下的汇编码:

这就足够了。现在跟踪程序会报告有7条指令得到了执行,我可以很容易地从汇编代码来验证这一点。

 

深入指令流

汇编码程序得以让我为大家介绍ptrace的另一个强大的功能——详细检查被跟踪进程的状态。下面是run_debugger函数的另一个版本:

同前个版本相比,唯一的不同之处在于while循环的开始几行。这里有两个新的ptrace调用。第一个读取进程的寄存器值到一个结构体中。结构体user_regs_struct定义在sys/user.h中。这儿有个有趣的地方——如果你打开这个头文件看看,靠近文件顶端的地方有一条这样的注释:

现在,我不知道你是怎么想的,但我感觉我们正处于正确的跑道上。无论如何,回到我们的例子上来。一旦我们将所有的寄存器值获取到regs中,我们就可以通过PTRACE_PEEKTEXT标志以及将regs.eip(x86架构上的扩展指令指针)做参数传入ptrace来调用。我们所得到的就是指令。让我们在汇编代码上运行这个新版的跟踪程序。

OK,所以现在除了icounter以外,我们还能看到指令指针以及每一步的指令。如何验证这是否正确呢?可以通过在可执行文件上执行objdump –d来实现:

用这份输出对比我们的跟踪程序输出,应该很容易观察到相同的地方。

 

关联到运行中的进程上

你已经知道了调试器也可以关联到已经处于运行状态的进程上。看到这里,你应该不会感到惊讶,这也是通过ptrace来实现的。这需要通过PTRACE_ATTACH请求。这里我不会给出一段样例代码,因为通过我们已经看到的代码,这应该很容易实现。基于教学的目的,这里采用的方法更为便捷(因为我们可以在子进程刚启动时立刻将它停止)。

 

代码

本文给出的这个简单的跟踪程序的完整代码(更高级一点,可以将具体指令打印出来)可以在这里找到。程序通过-Wall –pedantic –std=c99编译选项在4.4版的gcc上编译。

 

结论及下一步要做的

诚然,本文并没有涵盖太多的内容——我们离一个真正可用的调试器还差的很远。但是,我希望这篇文章至少已经揭开了调试过程的神秘面纱。ptrace是一个拥有许多功能的系统调用,目前我们只展示了其中少数几种功能。

能够单步执行代码是很有用处的,但作用有限。以“Hello, world”为例,要到达main函数,需要先遍历好几千条初始化C运行时库的指令。这就不太方便了。我们所希望的理想方案是可以在main函数入口处设置一个断点,从断点处开始单步执行。下一篇文章中我将向您展示该如何实现断点机制。

 

参考文献

写作本文时我发现下面这些文章很有帮助:

 

调试器工作原理(2):实现断点

调试器工作原理(3):调试信息

 

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