1. ptrace 函数简介

Ptrace是一个系统调用，它提供了一种方法来让‘父’进程可以观察和控制其它进程的执行，检查和改变其核心映像以及寄存器。主要用来实现断点调试和系统调用跟踪。利用ptrace函数，不仅可以劫持另一个进程的调用，修改系统函数调用和改变返回值，而且可以向另一个函数注入代码，修改eip，进入自己的逻辑。这个函数广泛用于调试和信号跟踪工具。

ptrace使用场景：

由于ptrace可以跟踪运行进程并修改寄存器与内存，因此可以用于以下用途。

黑客利用该特性进行代码注入。
不退出进程，进行在线升级。
开发追踪调试工具。

函数定义

       #include <sys/ptrace.h>
       long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data);

函数参数解释

request：请求执行的行为，可能选择有

PTRACE_TRACEME //指示父进程跟踪某个子进程的执行。任何传给子进程的信号将导致其停止执行，同时父进程调用wait()时会得到通告。之后，子进程调用exec()时，核心会给它传送SIGTRAP信号，在新程序开始执行前，给予父进程控制的机会。pid, addr, 和 data参数被忽略。
PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA //从子进程内存空间addr指向的位置读取一个字，并作为调用的结果返回。Linux内部对文本段和数据段不加区分，所以目前这两个请求相等。data参数被忽略。
PTRACE_PEEKUSR //从子进程的用户区addr指向的位置读取一个字，并作为调用的结果返回。
PTRACE_POKETEXT, PTRACE_POKEDATA //将data指向的字拷贝到子进程内存空间由addr指向的位置。
PTRACE_POKEUSR //将data指向的字拷贝到子进程用户区由addr指向的位置。
PTRACE_GETREGS, PTRACE_GETFPREGS //将子进程通用和浮点寄存器的值拷贝到父进程内由data指向的位置。addr参数被忽略。
PTRACE_GETSIGINFO //获取导致子进程停止执行的信号信息，并将其存放在父进程内由data指向的位置。addr参数被忽略。
PTRACE_SETREGS, PTRACE_SETFPREGS //从父进程内将data指向的数据拷贝到子进程的通用和浮点寄存器。addr参数被忽略。
PTRACE_SETSIGINFO //将父进程内由data指向的数据作为siginfo_t结构体拷贝到子进程。addr参数被忽略。
PTRACE_SETOPTIONS //将父进程内由data指向的值设定为ptrace选项，data作为位掩码来解释，由下面的标志指定
PTRACE_O_TRACESYSGOOD //当转发syscall陷阱(traps)时，在信号编码中设置位7，即第一个字节的最高位。例如：SIGTRAP | 0x80。这有利于追踪者识别一般的陷阱和那些由syscall引起的陷阱。
PTRACE_O_TRACEFORK //通过 (SIGTRAP | PTRACE_EVENT_FORK << 8) 使子进程下次调用fork()时停止其执行，并自动跟踪开始执行时就已设置SIGSTOP信号的新进程。新进程的PID可以通过PTRACE_GETEVENTMSG获取。
PTRACE_O_TRACEVFORK //通过 (SIGTRAP | PTRACE_EVENT_VFORK << 8) 使子进程下次调用vfork()时停止其执行，并自动跟踪开始执行时就已设置SIGSTOP信号的新进程。新进程的PID可以通过PTRACE_GETEVENTMSG获取。
PTRACE_O_TRACECLONE //通过 (SIGTRAP | PTRACE_EVENT_CLONE << 8) 使子进程下次调用clone()时停止其执行，并自动跟踪开始执行时就已设置SIGSTOP信号的新进程。新进程的PID可以通过PTRACE_GETEVENTMSG获取。
PTRACE_O_TRACEEXEC //通过 (IGTRAP | PTRACE_EVENT_EXEC << 8) 使子进程下次调用exec()时停止其执行。
PTRACE_O_TRACEVFORKDONE //通过 (SIGTRAP | PTRACE_EVENT_VFORK_DONE << 8) 使子进程下次调用exec()并完成时停止其执行。
PTRACE_O_TRACEEXIT //通过 (SIGTRAP | PTRACE_EVENT_EXIT << 8) 使子进程退出时停止其执行。子进程的退出状态可通过PTRACE_GETEVENTMSG。
PTRACE_GETEVENTMSG //获取刚发生的ptrace事件消息，并存放在父进程内由data指向的位置。addr参数被忽略。
PTRACE_CONT //重启动已停止的进程。如果data指向的数据并非0，同时也不是SIGSTOP信号，将会作为传递给子进程的信号来解释。那样，父进程可以控制是否将一个信号发送给子进程。 addr参数被忽略。
PTRACE_SYSCALL, PTRACE_SINGLESTEP //如同PTRACE_CONT一样重启子进程的执行，但指定子进程在下个入口或从系统调用退出时，或者执行单个指令后停止执行，这可用于实现单步调试。addr参数被忽略。
PTRACE_SYSEMU, PTRACE_SYSEMU_SINGLESTEP //用于用户模式的程序仿真子进程的所有系统调用。
PTRACE_KILL //给子进程发送SIGKILL信号，从而终止其执行。data，addr参数被忽略。
PTRACE_ATTACH //衔接到pid指定的进程，从而使其成为当前进程的追踪目标。
PTRACE_DETACH //PTRACE_ATTACH的反向操作。

pid：目标进程标识。

addr：执行peek和poke操作的目标地址。

data：对于poke操作，存放数据的地方。对于peek操作，获取数据的地方。

返回说明：

成功执行时，PTRACE_PEEK请求返回所请求的数据，其它返回0。失败返回-1，errno被设为以下的某个值。由于一个成功的PTRACE_PEEK请求可能返回-1，决定错误是否发生前，调用者应检查errno。

2. ptrace 函数的内核实现

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)，从中可以看到整个代码逻辑比较简单，其中对PTRACE_TRACEME和PTRACE_ATTACH 是做特殊处理的。其他的是与架构相关的。

     1	SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr,
     2			unsigned long, data)
     3	{
     4		struct task_struct *child;
     5		long ret;
       
     6		if (request == PTRACE_TRACEME) {
     7			ret = ptrace_traceme();
     8			if (!ret)
     9				arch_ptrace_attach(current);
    10			goto out;
    11		}
       
    12		child = ptrace_get_task_struct(pid);
    13		if (IS_ERR(child)) {
    14			ret = PTR_ERR(child);
    15			goto out;
    16		}
       
    17		if (request == PTRACE_ATTACH || request == PTRACE_SEIZE) {
    18			ret = ptrace_attach(child, request, addr, data);
    19			/*
    20			 * Some architectures need to do book-keeping after
    21			 * a ptrace attach.
    22			 */
    23			if (!ret)
    24				arch_ptrace_attach(child);
    25			goto out_put_task_struct;
    26		}
       
    27		ret = ptrace_check_attach(child, request == PTRACE_KILL ||
    28					  request == PTRACE_INTERRUPT);
    29		if (ret < 0)
    30			goto out_put_task_struct;
       
    31		ret = arch_ptrace(child, request, addr, data);
    32		if (ret || request != PTRACE_DETACH)
    33			ptrace_unfreeze_traced(child);
       
    34	 out_put_task_struct:
    35		put_task_struct(child);
    36	 out:
    37		return ret;
    38	}

linux ptrace系统调用探究