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[一、gdb/strace 跟踪程序系统调用](#一、gdb/strace 跟踪程序系统调用)
（代码：linux 6.3.1，架构：arm64）
One look is worth a thousand words. ------ Tess Flanders
相关链接：
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一、gdb/strace 跟踪程序系统调用
gdb、strace都能够跟踪被调试程序在执行过程中的所有系统调用，其底层依赖的就是ptrace(PTRACE_SYSCALL) 的能力。当使用 PTRACE_SYSCALL 时，被跟踪的进程会在每次系统调用的开始或结束时被暂停挂起，并通知父进程（gdb、strace）。这使得开发者能够详细地监控和分析程序的系统调用行为，对于调试和性能分析非常有用。
下图是strace跟踪ls命令执行期间，用到的所有系统调用信息：
二、实现原理
上图是gdb跟踪被调试程序执行过程中所有系统调用的原理：
1）gdb通过ptrace(PTRACE_SYSCALL)，为被调试程序的task置位TIF_SYSCALL_TRACE，然后返回；
2）被调试程序执行系统调用陷入内核；
3）在系统调用的入口，调用tracehook_report_syscall，判断当前task是否置位TIF_SYSCALL_TRACE；
4）若置位，则将PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_ENTRY记录到被调试程序task的ptrace_message中；
5）随后给父进程gdb发送SIGCHLD信号，并唤醒gdb的wait操作，同时设置父进程gdb wait操作的status值 ( (SIGTRAP | 0x80) << 8) | 0X70；其中，0x80代表被调试程序触发了syscall！
6）被调试程序将自己挂起；
7）gdb被唤醒后，检查wait的status返回值内容，发现置位了0x80，说明被调试程序执行了syscall；
8）gdb通过ptrace(PTRACE_GETEVENTMSG) 获取被调试任务内核中的task->ptrace_message内容，来判断当前被调试程序是刚进入syscall、还是已经执行完毕syscall；
9）gdb唤醒被调试程序继续运行，被调试程序被调度运行后，调用invoke_syscall执行真正的系统调用任务；
10）当invoke_syscall执行完毕后，会再次调用tracehook_report_syscall，将自身挂起并通知gdb（这个流程与上述3~6步一致），唯一的区别是：此时设置到被调试任务task->ptrace_message中的字段是PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_EXIT；
11）gdb被唤醒后，判断出被调试程序是因为syscall挂起的，通过ptrace(PTRACE_GETEVENTMSG)可以获取到被调试程序执行完毕系统调用的信息；
是
三、代码实现
1、gdb、strace 通过 ptrace(PTRACE_SYSCALL) 为被调试程序置位标志
cpp
ptrace_request
case PTRACE_SYSCALL:
return ptrace_resume(child, request, data) {
if (request == PTRACE_SYSCALL)
set_task_syscall_work(child, SYSCALL_TRACE) {
set_ti_thread_flag(task_thread_info(t), TIF_SYSCALL_TRACE)
}
}2、被调试程序进入系统调用前夕，将自己暂停下来并通知gdb
cpp
el0t_64_sync_handler {
el0_svc
do_el0_svc
el0_svc_common {
unsigned long flags = current_thread_info()->flags
if (has_syscall_work(flags)) {
syscall_trace_enter {
if (flags & (_TIF_SYSCALL_EMU | _TIF_SYSCALL_TRACE))
tracehook_report_syscall(struct pt_regs *regs = regs,
enum ptrace_syscall_dir dir = PTRACE_SYSCALL_ENTER) {
regno = (is_compat_task() ? 12 : 7)
saved_reg = regs->regs[regno]
regs->regs[regno] = dir
if (dir == PTRACE_SYSCALL_ENTER) {
tracehook_report_syscall_entry(regs){
ptrace_report_syscall(regs, unsigned long message = PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_ENTRY) {
/* 保存syscall entry/exit event */ current->ptrace_message = message // 保存 PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_ENTRY 到ptrace_message, 之后gdb会调用ptrace来获取该信息
>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> ptrace_notify(int exit_code = SIGTRAP | 0x80) {
ptrace_do_notify(int signr = SIGTRAP, int exit_code = exit_code, int why = CLD_TRAPPED) {
ptrace_stop(exit_code, why, int clear_code = 1, &info) { // 通知tracer, 并将自己挂起
current->last_siginfo = info
current->exit_code = exit_code
do_notify_parent_cldstop(current, true, why = CLD_TRAPPED)
info.si_signo = SIGCHLD
info.si_code = why // A.K.A: CLD_TRAPPED
info.si_status = tsk->exit_code & 0x7f
__group_send_sig_info(SIGCHLD, &info, parent)
send_signal(sig, info, p, PIDTYPE_TGID)
__send_signal(sig, info, t, type, force)
__wake_up_parent
freezable_schedule
current->last_siginfo = NULL // after wake up by gdb, clear last_siginfo
}
}
}
if (current->exit_code) {
send_sig(current->exit_code, current, 1)
current->exit_code = 0
}
current->ptrace_message = 0
return fatal_signal_pending(current)
}//ptrace_report_syscall
}//tracehook_report_syscall_entry
}
regs->regs[regno] = saved_reg
}
return regs->syscallno
}//syscall_trace_enter
}
invoke_syscall
...
}
}3、被调试程序系统调用执行完毕后，将自己暂停下来并通知gdb
cpp
el0t_64_sync_handler {
el0_svc
do_el0_svc
el0_svc_common {
unsigned long flags = current_thread_info()->flags
if (has_syscall_work(flags)) {
syscall_trace_enter
}
invoke_syscall
syscall_trace_exit {
unsigned long flags = READ_ONCE(current_thread_info()->flags)
if (flags & (_TIF_SYSCALL_TRACE | _TIF_SINGLESTEP))
tracehook_report_syscall(regs, PTRACE_SYSCALL_EXIT) {
tracehook_report_syscall_exit(regs, step = 0) {
ptrace_report_syscall(regs, unsigned long message = PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_EXIT) {
current->ptrace_message = message
ptrace_notify(exit_code = SIGTRAP | 0x80)
ptrace_do_notify(SIGTRAP, exit_code, why = CLD_TRAPPED) {
kernel_siginfo_t info
info.si_signo = signr
info.si_code = exit_code // A.K.A: SIGTRAP | 0x80
ptrace_stop(exit_code, why, 1, &info) {
current->last_siginfo = info
current->exit_code = exit_code
do_notify_parent_cldstop(current, true, why) {
info.si_signo = SIGCHLD
info.si_code = why // A.K.A: CLD_TRAPPED
info.si_status = tsk->exit_code & 0x7f
__group_send_sig_info(SIGCHLD, &info, parent)
send_signal(sig, info, p, PIDTYPE_TGID)
__send_signal(sig, info, t, type, force)
}
current->last_siginfo = NULL // after wake up by gdb, clear last_siginfo
}
}//ptrace_do_notify
}//ptrace_report_syscall
}//tracehook_report_syscall_exit
}//tracehook_report_syscall
}//syscall_trace_exit
}//el0_svc_common
}四、总结
gdb、strace监控被调试程序的系统调用，主要是依赖系统调用的路径上，根据被调试程序是否置位TIF_SYSCALL_TRACE，通过tracehook_report_syscall将自身暂停，并记录相应的信息（PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_ENTRY、PTRACE_EVENTMSG_SYSCALL_EXIT）到current->ptrace_message中供后续gdb、strace通过ptrace(PTRACE_GETEVENTMSG)获取，最后通知gdb。