介紹
ptrace 是一個 UNIX 系統調用，主要用于跟蹤一個程序的執行并檢查和修改其記憶體、寄存器和信号。它是調試器和其他程序監視工具的基礎，并且可以用于實作程序間通信和虛拟機監視等功能。本文将介紹 ptrace 的基本原理、應用場景和使用方法。
基本原理
ptrace 系統調用的基本原理是通過作業系統提供的接口，以 PTRACE_ATTACH 參數追蹤目标程序，并以 PTRACE_GETREGS、PTRACE_SETREGS、PTRACE_PEEKDATA、PTRACE_POKEDATA、PTRACE_SINGLESTEP、PTRACE_CONT 等參數讀取和修改目标程序的狀态、記憶體和執行。具體步驟如下：
ptrace 啟動跟蹤子程序：ptrace 系統調用以 PTRACE_TRACEME 參數啟動一個子程序，并使該子程序成為目前程序的跟蹤目标。
ptrace 追蹤目标程序：ptrace 系統調用以 PTRACE_ATTACH 參數追蹤目标程序，将目标程序的狀态切換到被跟蹤狀态，并向目标程序發送 SIGSTOP 信号，暫停其執行。
ptrace 讀取目标程序狀态：ptrace 系統調用以 PTRACE_GETREGS 參數讀取目标程序狀态，包括寄存器、程式計數器等資訊。
ptrace 修改目标程序狀态：ptrace 系統調用以 PTRACE_SETREGS 參數修改目标程序狀态，包括寄存器、程式計數器等資訊。
ptrace 讀取目标程序記憶體：ptrace 系統調用以 PTRACE_PEEKDATA 參數讀取目标程序的記憶體資料。
ptrace 修改目标程序記憶體：ptrace 系統調用以 PTRACE_POKEDATA 參數修改目标程序的記憶體資料。
ptrace 單步執行目标程序：ptrace 系統調用以 PTRACE_SINGLESTEP 參數單步執行目标程序，将其執行到下一條指令，并向目标程序發送 SIGTRAP 信号。
ptrace 恢複目标程序執行：ptrace 系統調用以 PTRACE_CONT 參數恢複目标程序的執行，從目标程序的目前位置繼續執行。
ptrace 停止跟蹤目标程序：ptrace 系統調用以 PTRACE_DETACH 參數停止跟蹤目标程序，将目标程序的狀态切換回正常狀态。
應用場景
ptrace 主要用于以下幾個方面：
調試器：ptrace 是調試器的基礎，通過 ptrace 可以在調試器和被調試程式之間建立通信通道，實作斷點、單步執行、檢視和修改記憶體和寄存器等調試功能。
程序監視工具：ptrace 可以用于實作程序監視工具，通過 ptrace 追蹤目标程序的執行，檢查其記憶體和寄存器中的資料，并根據需要向其發送信号。
程序間通信：ptrace 可以用于實作程序間通信，通過 ptrace 讀取和修改目标程序的記憶體資料，實作程序間的資料交換和共享。
虛拟機監視：ptrace 可以用于實作虛拟機監視，
通過 ptrace 追蹤虛拟機的執行，檢查和修改虛拟機的記憶體和寄存器中的資料，并根據需要向虛拟機發送信号。
使用方法
ptrace 的使用方法比較複雜，需要熟悉系統調用、信号處理和程序狀态等相關知識。以下是一個簡單的示例程式，示範如何使用 ptrace 追蹤目标程序，并輸出其寄存器和記憶體資訊：
#include <stdio.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
pid_t pid;
struct user_regs_struct regs;
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage: %s <pid>\n", argv[0]);
return 1;
}
pid = atoi(argv[1]);
if (ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL) != 0) {
perror("ptrace(PTRACE_ATTACH)");
}
waitpid(pid, NULL, 0);
if (ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, NULL, ®s) != 0) {
perror("ptrace(PTRACE_GETREGS)");
}
printf("RAX: %lx\n", regs.rax);
printf("RBX: %lx\n", regs.rbx);
printf("RCX: %lx\n", regs.rcx);
printf("RDX: %lx\n", regs.rdx);
printf("Memory at 0x1000: %lx\n", ptrace(PTRACE_PEEKDATA, pid, 0x1000, NULL));
ptrace(PTRACE_DETACH, pid, NULL, NULL);
return 0;
}
該程式接收一個目标程序的 PID 作為指令行參數，使用 ptrace 追蹤該程序，并輸出其寄存器和記憶體資訊。其中，PTRACE_ATTACH、PTRACE_GETREGS 和 PTRACE_PEEKDATA 分别用于追蹤、讀取寄存器和記憶體資料，PTRACE_DETACH 用于停止追蹤。
結論
ptrace 是一個強大的系統調用，可以用于調試器、程序監視、程序間通信和虛拟機監視等多個方面。使用 ptrace 需要熟悉系統調用、信号處理和程序狀态等相關知識，同時需要注意安全性和穩定性等問題。