手把手教你寫一個(gè)GDB（基本功能~）
什么是 GDB
GDB 全稱 the GNU Project debugger，主要用來調(diào)試用戶態(tài)應(yīng)用程序。
根據(jù)官方文檔介紹，GDB 支持調(diào)試以下語言編寫的應(yīng)用程序：
Ada
Assembly
C
C++
D
Fortran
Go
Objective-C
OpenCL
Modula-2
Pascal
Rust
當(dāng)然，最常用的還是用于調(diào)試 C/C++ 編寫的應(yīng)用程序。
本文并不是 GDB 的使用教程，所以不會(huì)對(duì) GDB 的使用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。本文的目的是，教會(huì)大家自己動(dòng)手?jǐn)]一個(gè)簡(jiǎn)易的 GDB。所以閱讀本文前，最好先了解下 GDB 的使用。
在編程圈中流傳一句話：不要重復(fù)造輪子。但是本人覺得，重復(fù)造輪子才能真正理解輪子的實(shí)現(xiàn)原理。
ptrace 系統(tǒng)調(diào)用
GDB 實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)是 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用。
如果你對(duì) ptrace 的實(shí)現(xiàn)原理有興趣，可以閱讀這篇文章進(jìn)行了解：《ptrace實(shí)現(xiàn)原理》
ptrace() 是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)調(diào)用，主要用于編寫調(diào)試程序。你可以通過以下命令來查看 ptrace() 的介紹：
ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的功能很強(qiáng)大，但我們并不會(huì)用到所有的功能。所以，本文的約定是：在編寫程序的過程中，使用到的功能才會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
可見，運(yùn)行 ls 這個(gè)命令需要執(zhí)行 40 多萬條指令。
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簡(jiǎn)易的 GDB
我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)有如下功能的 GDB：
可以對(duì)一個(gè)可執(zhí)行程序進(jìn)行調(diào)試。
可以在調(diào)試程序時(shí)，設(shè)置斷點(diǎn)。
可以在調(diào)試程序時(shí)，打印程序的信息。
下面主要圍繞這三個(gè)功能進(jìn)行闡述。
1. 調(diào)試可執(zhí)行文件
我們使用 GDB 調(diào)試程序時(shí)，一般使用 GDB 直接加載程序的可執(zhí)行文件，如下命令：
上面命令的執(zhí)行過程如下：
首先，GDB 調(diào)用 fork() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程。
然后，子進(jìn)程會(huì)調(diào)用 exec() 系統(tǒng)調(diào)用加載程序的可執(zhí)行文件到內(nèi)存。
接著，子進(jìn)程便進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)（停止運(yùn)行），并且等待 GDB 主進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令。
流程如下圖所示：
我們可以按照上面的流程來編寫代碼：
第一步：創(chuàng)建被調(diào)試子進(jìn)程
調(diào)試程序一般分為 被調(diào)試進(jìn)程 與 調(diào)試進(jìn)程。
被調(diào)試進(jìn)程：就是需要被調(diào)試的進(jìn)程。
調(diào)試進(jìn)程：主要用于向 被調(diào)試進(jìn)程 發(fā)送調(diào)試命令。
實(shí)現(xiàn)代碼如下：
上面的代碼執(zhí)行流程如下：
主進(jìn)程首先調(diào)用 fork() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程。
然后子進(jìn)程會(huì)調(diào)用 load_executable_file() 函數(shù)加載要進(jìn)行調(diào)試的程序，并且等待主進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令。
最后主進(jìn)程會(huì)調(diào)用 send_debug_command() 向被調(diào)試進(jìn)程（子進(jìn)程）發(fā)送調(diào)試命令。
所以，接下來我們主要介紹 load_executable_file() 和 send_debug_command() 這兩個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。
第二步：加載被調(diào)試程序
前面我們說過，子進(jìn)程主要用于加載被調(diào)試的程序，并且等待調(diào)試進(jìn)程（主進(jìn)程）發(fā)送調(diào)試命令，現(xiàn)在我們來分析下 load_executable_file() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：
load_executable_file() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，主要執(zhí)行流程如下：
調(diào)用 ptrace(PTRACE_TRACEME...) 系統(tǒng)調(diào)用告知內(nèi)核，當(dāng)前進(jìn)程可以被進(jìn)行跟蹤，也就是可以被調(diào)試。
調(diào)用 execl() 系統(tǒng)調(diào)用加載并且執(zhí)行被調(diào)試的程序可執(zhí)行文件。
首先，我們來看看 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用的原型定義：
下面我們對(duì)其各個(gè)參數(shù)進(jìn)行說明：
request：向進(jìn)程發(fā)送的調(diào)試命令，可以發(fā)送的命令很多。比如上面代碼的 PTRACE_TRACEME 命令定義為 0，表示能夠?qū)M(jìn)程進(jìn)行調(diào)試。
pid：指定要對(duì)哪個(gè)進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令的進(jìn)程ID。
addr：如果要讀取或者修改進(jìn)程某個(gè)內(nèi)存地址的內(nèi)容，就可以通過這個(gè)參數(shù)指定。
data：如果要修改進(jìn)程某個(gè)地址的內(nèi)容，要修改的值可以通過這個(gè)參數(shù)指定，配合 addr 參數(shù)使用。
所以，代碼：
的作用就是告知內(nèi)核，當(dāng)前進(jìn)程能夠被跟蹤（調(diào)試）。
接著，當(dāng)調(diào)用 execl() 系統(tǒng)調(diào)用加載并且執(zhí)行被調(diào)試的程序時(shí)，內(nèi)核會(huì)把當(dāng)前被調(diào)試的進(jìn)程掛起（把運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置為停止?fàn)顟B(tài)），等待主進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令。
當(dāng)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)被設(shè)置為停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，內(nèi)核會(huì)停止對(duì)此進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，除非有其他進(jìn)程把此進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)改為可運(yùn)行狀態(tài)。
第三步：向被調(diào)試進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令
我們來到最重要的一步了，就是要向被調(diào)試的進(jìn)程發(fā)送調(diào)試命令。
用過 GDB 調(diào)試程序的同學(xué)都非常熟悉，我們可以向被調(diào)試的進(jìn)程發(fā)送 單步調(diào)試、打印當(dāng)前堆棧信息、查看某個(gè)變量的值 和 設(shè)置斷點(diǎn) 等操作。
這些命令都可以通過 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用發(fā)送，下面我們介紹一下怎么使用 ptrace() 系統(tǒng)調(diào)用來對(duì)被調(diào)試進(jìn)程進(jìn)行調(diào)試操作。
send_debug_command() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)有點(diǎn)小復(fù)雜，我們來分析下這個(gè)函數(shù)的主要執(zhí)行流程吧。
當(dāng)被調(diào)試進(jìn)程被內(nèi)核掛起時(shí)，內(nèi)核會(huì)向其父進(jìn)程發(fā)送一個(gè) SIGCHLD 信號(hào)，父進(jìn)程可以通過調(diào)用 wait() 系統(tǒng)調(diào)用來捕獲這個(gè)信息。
然后我們?cè)谝粋€(gè)循環(huán)內(nèi)，跟蹤進(jìn)程執(zhí)行指令的過程。
通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_GETREGS...) 來獲取當(dāng)前進(jìn)程所有寄存器的值。
通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT...) 來獲取某個(gè)內(nèi)存地址的值。
通過調(diào)用 ptrace(PTRACE_SINGLESTEP...) 將被調(diào)試進(jìn)程設(shè)置為單步調(diào)試模式，這樣當(dāng)被調(diào)試進(jìn)程每執(zhí)行一條指令，都會(huì)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。
整個(gè)調(diào)試流程可以歸納為以下的圖片：
測(cè)試程序
最后，我們來測(cè)試一下這個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)試工具的效果。我們使用以下命令編譯程序：
編譯之后，我們會(huì)獲得一個(gè)名為 tdb 的可執(zhí)行文件。然后，我們可以使用以下命令來調(diào)試程序：
例如我們要調(diào)試 ls 命令這個(gè)程序，可以輸入以下命令：
可見，運(yùn)行 ls 這個(gè)命令需要執(zhí)行 40 多萬條指令。
