开发一个 Linux 调试器(三):寄存器和内存

2024年 7月 19日 60.5k 0

开发一个 Linux 调试器(三):寄存器和内存-1

上一篇博文中我们给调试器添加了一个简单的地址断点。这次,我们将添加读写寄存器和内存的功能,这将使我们能够使用我们的程序计数器、观察状态和改变程序的行为。

系列文章索引

随着后面文章的发布,这些链接会逐渐生效。

  • 准备环境
  • 断点
  • 寄存器和内存
  • Elves 和 dwarves
  • 源码和信号
  • 源码级逐步执行
  • 源码级断点
  • 调用栈展开
  • 读取变量
  • 下一步
  • 注册我们的寄存器

    在我们真正读取任何寄存器之前,我们需要告诉调试器一些关于我们的目标平台的信息,这里是 x8664 平台。除了多组通用和专用目的寄存器,x8664 还提供浮点和向量寄存器。为了简化,我将跳过后两种寄存器,但是你如果喜欢的话也可以选择支持它们。x86_64 也允许你像访问 32、16 或者 8 位寄存器那样访问一些 64 位寄存器,但我只会介绍 64 位寄存器。由于这些简化,对于每个寄存器我们只需要它的名称、它的 DWARF 寄存器编号以及 ptrace 返回结构体中的存储地址。我使用范围枚举引用这些寄存器,然后我列出了一个全局寄存器描述符数组,其中元素顺序和 ptrace 中寄存器结构体相同。

    enum class reg {
        rax, rbx, rcx, rdx,
        rdi, rsi, rbp, rsp,
        r8,  r9,  r10, r11,
        r12, r13, r14, r15,
        rip, rflags,    cs,
        orig_rax, fs_base,
        gs_base,
        fs, gs, ss, ds, es
    };
    
    constexpr std::size_t n_registers = 27;
    
    struct reg_descriptor {
        reg r;
        int dwarf_r;
        std::string name;
    };
    
    const std::array g_register_descriptors {{
        { reg::r15, 15, "r15" },
        { reg::r14, 14, "r14" },
        { reg::r13, 13, "r13" },
        { reg::r12, 12, "r12" },
        { reg::rbp, 6, "rbp" },
        { reg::rbx, 3, "rbx" },
        { reg::r11, 11, "r11" },
        { reg::r10, 10, "r10" },
        { reg::r9, 9, "r9" },
        { reg::r8, 8, "r8" },
        { reg::rax, 0, "rax" },
        { reg::rcx, 2, "rcx" },
        { reg::rdx, 1, "rdx" },
        { reg::rsi, 4, "rsi" },
        { reg::rdi, 5, "rdi" },
        { reg::orig_rax, -1, "orig_rax" },
        { reg::rip, -1, "rip" },
        { reg::cs, 51, "cs" },
        { reg::rflags, 49, "eflags" },
        { reg::rsp, 7, "rsp" },
        { reg::ss, 52, "ss" },
        { reg::fs_base, 58, "fs_base" },
        { reg::gs_base, 59, "gs_base" },
        { reg::ds, 53, "ds" },
        { reg::es, 50, "es" },
        { reg::fs, 54, "fs" },
        { reg::gs, 55, "gs" },
    }};
    

    如果你想自己看看的话,你通常可以在 /usr/include/sys/user.h 找到寄存器数据结构,另外 DWARF 寄存器编号取自 System V x86_64 ABI。

    现在我们可以编写一堆函数来和寄存器交互。我们希望可以读取寄存器、写入数据、根据 DWARF 寄存器编号获取值,以及通过名称查找寄存器,反之类似。让我们先从实现 get_register_value 开始:

    uint64_t get_register_value(pid_t pid, reg r) {
        user_regs_struct regs;
        ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, nullptr, &regs);
        //...
    }
    

    ptrace 使得我们可以轻易获得我们想要的数据。我们只需要构造一个 user_regs_struct 实例并把它和 PTRACE_GETREGS 请求传递给 ptrace

    现在根据要请求的寄存器,我们要读取 regs。我们可以写一个很大的 switch 语句,但由于我们 g_register_descriptors 表的布局顺序和 user_regs_struct 相同,我们只需要搜索寄存器描述符的索引,然后作为 uint64_t 数组访问 user_regs_struct 就行。(你也可以重新排序 reg 枚举变量,然后使用索引把它们转换为底层类型,但第一次我就使用这种方式编写,它能正常工作,我也就懒得改它了。)

            auto it = std::find_if(begin(g_register_descriptors), end(g_register_descriptors),
                                   [r](auto&& rd) { return rd.r == r; });
    
            return *(reinterpret_cast(&regs) + (it - begin(g_register_descriptors)));
    

    uint64_t 的转换是安全的,因为 user_regs_struct 是一个标准布局类型,但我认为指针算术技术上是 未定义的行为 undefined behavior 。当前没有编译器会对此产生警告,我也懒得修改,但是如果你想保持最严格的正确性,那就写一个大的 switch 语句。

    set_register_value 非常类似,我们只是写入该位置并在最后写回寄存器:

    void set_register_value(pid_t pid, reg r, uint64_t value) {
        user_regs_struct regs;
        ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, nullptr, &regs);
        auto it = std::find_if(begin(g_register_descriptors), end(g_register_descriptors),
                               [r](auto&& rd) { return rd.r == r; });
    
        *(reinterpret_cast(&regs) + (it - begin(g_register_descriptors))) = value;
        ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, nullptr, &regs);
    }
    

    下一步是通过 DWARF 寄存器编号查找。这次我会真正检查一个错误条件以防我们得到一些奇怪的 DWARF 信息。

    uint64_t get_register_value_from_dwarf_register (pid_t pid, unsigned regnum) {
        auto it = std::find_if(begin(g_register_descriptors), end(g_register_descriptors),
                               [regnum](auto&& rd) { return rd.dwarf_r == regnum; });
        if (it == end(g_register_descriptors)) {
            throw std::out_of_range{"Unknown dwarf register"};
        }
    
        return get_register_value(pid, it->r);
    }
    

    就快完成啦,现在我们已经有了寄存器名称查找:

    std::string get_register_name(reg r) {
        auto it = std::find_if(begin(g_register_descriptors), end(g_register_descriptors),
                               [r](auto&& rd) { return rd.r == r; });
        return it->name;
    }
    
    reg get_register_from_name(const std::string& name) {
        auto it = std::find_if(begin(g_register_descriptors), end(g_register_descriptors),
                               [name](auto&& rd) { return rd.name == name; });
        return it->r;
    }
    

    最后我们会添加一个简单的帮助函数用于导出所有寄存器的内容:

    void debugger::dump_registers() {
    for (const auto& rd : g_register_descriptors) {
    std::cout

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