gdb 如何呼叫函式？

Julia Evans發表於2018-04-29

（之前的 gdb 系列文章：gdb 如何工作（2016）和三步上手 gdb（2014））

在這周，我發現我可以從 gdb 上呼叫 C 函式。這看起來很酷，因為在過去我認為 gdb 最多隻是一個只讀除錯工具。

我對 gdb 能夠呼叫函式感到很吃驚。正如往常所做的那樣，我在 Twitter 上詢問這是如何工作的。我得到了大量的有用答案。我最喜歡的答案是 Evan Klitzke 的示例 C 程式碼，它展示了 gdb 如何呼叫函式。程式碼能夠執行，這很令人激動！

我（透過一些跟蹤和實驗）認為那個示例 C 程式碼和 gdb 實際上如何呼叫函式不同。因此，在這篇文章中，我將會闡述 gdb 是如何呼叫函式的，以及我是如何知道的。

關於 gdb 如何呼叫函式，還有許多我不知道的事情，並且，在這兒我寫的內容有可能是錯誤的。

從 gdb 中呼叫 C 函式意味著什麼？

在開始講解這是如何工作之前，我先快速的談論一下我是如何發現這件令人驚訝的事情的。

假如，你已經在執行一個 C 程式（目標程式）。你可以執行程式中的一個函式，只需要像下面這樣做：

暫停程式（因為它已經在執行中）
找到你想呼叫的函式的地址（使用符號表）
使程式（目標程式）跳轉到那個地址
當函式返回時，恢復之前的指令指標和暫存器

透過符號表來找到想要呼叫的函式的地址非常容易。下面是一段非常簡單但能夠工作的程式碼，我在 Linux 上使用這段程式碼作為例子來講解如何找到地址。這段程式碼使用 elf crate。如果我想找到 PID 為 2345 的程序中的 foo 函式的地址，那麼我可以執行 elf_symbol_value("/proc/2345/exe", "foo")。

fn elf_symbol_value(file_name: &str, symbol_name: &str) -> Result<u64, Box<std::error::Error>> {
    // 開啟 ELF 檔案 
    let file = elf::File::open_path(file_name).ok().ok_or("parse error")?;
    // 在所有的段 & 符號中迴圈，直到找到正確的那個
    let sections = &file.sections;
    for s in sections {
        for sym in file.get_symbols(&s).ok().ok_or("parse error")? {
            if sym.name == symbol_name {
                return Ok(sym.value);
            }
        }
    }
    None.ok_or("No symbol found")?
}

這並不能夠真的發揮作用，你還需要找到檔案的記憶體對映，並將符號偏移量加到檔案對映的起始位置。找到記憶體對映並不困難，它位於 /proc/PID/maps 中。

總之，找到想要呼叫的函式地址對我來說很直接，但是其餘部分（改變指令指標，恢復暫存器等）看起來就不這麼明顯了。

你不能僅僅進行跳轉

我已經說過，你不能夠僅僅找到你想要執行的那個函式地址，然後跳轉到那兒。我在 gdb 中嘗試過那樣做（jump foo），然後程式出現了段錯誤。毫無意義。

如何從 gdb 中呼叫 C 函式

首先，這是可能的。我寫了一個非常簡潔的 C 程式，它所做的事只有 sleep 1000 秒，把這個檔案命名為 test.c ：

#include <unistd.h>

int foo() {
    return 3;
}
int main() {
    sleep(1000);
}

接下來，編譯並執行它：

$ gcc -o test  test.c
$ ./test

最後，我們使用 gdb 來跟蹤 test 這一程式：

$ sudo gdb -p $(pgrep -f test)
(gdb) p foo()
$1 = 3
(gdb) quit

我執行 p foo() 然後它執行了這個函式！這非常有趣。

這有什麼用？

下面是一些可能的用途：

它使得你可以把 gdb 當成一個 C 應答式程式（REPL），這很有趣，我想對開發也會有用
在 gdb 中進行除錯的時候展示/瀏覽複雜資料結構的功能函式（感謝 @invalidop）
在程序執行時設定一個任意的名字空間（我的同事 nelhage 對此非常驚訝）
可能還有許多我所不知道的用途

它是如何工作的

當我在 Twitter 上詢問從 gdb 中呼叫函式是如何工作的時，我得到了大量有用的回答。許多答案是“你從符號表中得到了函式的地址”，但這並不是完整的答案。

有個人告訴了我兩篇關於 gdb 如何工作的系列文章：原生除錯：第一部分，原生除錯：第二部分。第一部分講述了 gdb 是如何呼叫函式的（指出了 gdb 實際上完成這件事並不簡單，但是我將會盡力）。

步驟列舉如下：

停止程序
建立一個新的棧框（遠離真實棧）
儲存所有暫存器
設定你想要呼叫的函式的暫存器引數
設定棧指標指向新的棧框stack frame
在記憶體中某個位置放置一條陷阱指令
為陷阱指令設定返回地址
設定指令暫存器的值為你想要呼叫的函式地址
再次執行程序！

（LCTT 譯註：如果將這個呼叫的函式看成一個單獨的執行緒，gdb 實際上所做的事情就是一個簡單的執行緒上下文切換）

我不知道 gdb 是如何完成這些所有事情的，但是今天晚上，我學到了這些所有事情中的其中幾件。

建立一個棧框

如果你想要執行一個 C 函式，那麼你需要一個棧來儲存變數。你肯定不想繼續使用當前的棧。準確來說，在 gdb 呼叫函式之前（透過設定函式指標並跳轉），它需要設定棧指標到某個地方。

這兒是 Twitter 上一些關於它如何工作的猜測：

我認為它在當前棧的棧頂上構造了一個新的棧框來進行呼叫！

以及

你確定是這樣嗎？它應該是分配一個偽棧，然後臨時將 sp （棧指標暫存器）的值改為那個棧的地址。你可以試一試，你可以在那兒設定一個斷點，然後看一看棧指標暫存器的值，它是否和當前程式暫存器的值相近？

我透過 gdb 做了一個試驗：

(gdb) p $rsp
$7 = (void *) 0x7ffea3d0bca8
(gdb) break foo
Breakpoint 1 at 0x40052a
(gdb) p foo()
Breakpoint 1, 0x000000000040052a in foo ()
(gdb) p $rsp
$8 = (void *) 0x7ffea3d0bc00

這看起來符合“gdb 在當前棧的棧頂構造了一個新的棧框”這一理論。因為棧指標（$rsp）從 0x7ffea3d0bca8 變成了 0x7ffea3d0bc00 —— 棧指標從高地址往低地址長。所以 0x7ffea3d0bca8 在 0x7ffea3d0bc00 的後面。真是有趣！

所以，看起來 gdb 只是在當前棧所在位置建立了一個新的棧框。這令我很驚訝！

改變指令指標

讓我們來看一看 gdb 是如何改變指令指標的！

(gdb) p $rip
$1 = (void (*)()) 0x7fae7d29a2f0 <__nanosleep_nocancel+7>
(gdb) b foo
Breakpoint 1 at 0x40052a
(gdb) p foo()
Breakpoint 1, 0x000000000040052a in foo ()
(gdb) p $rip
$3 = (void (*)()) 0x40052a <foo+4>

的確是！指令指標從 0x7fae7d29a2f0 變為了 0x40052a（foo 函式的地址）。

我盯著輸出看了很久，但仍然不理解它是如何改變指令指標的，但這並不影響什麼。

如何設定斷點

上面我寫到 break foo 。我跟蹤 gdb 執行程式的過程，但是沒有任何發現。

下面是 gdb 用來設定斷點的一些系統呼叫。它們非常簡單。它把一條指令用 cc 代替了（這告訴我們 int3 意味著 send SIGTRAP https://defuse.ca/online-x86-assembler.html），並且一旦程式被打斷了，它就把指令恢復為原先的樣子。

我在函式 foo 那兒設定了一個斷點，地址為 0x400528 。

PTRACE_POKEDATA 展示了 gdb 如何改變正在執行的程式。

// 改變 0x400528 處的指令
25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003b8e589]) = 0
25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003cce589) = 0
// 開始執行程式
25622 ptrace(PTRACE_CONT, 25618, 0x1, SIG_0) = 0
// 當到達斷點時獲取一個訊號
25622 ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, 25618, NULL, {si_signo=SIGTRAP, si_code=SI_KERNEL, si_value={int=-1447215360, ptr=0x7ffda9bd3f00}}) = 0
// 將 0x400528 處的指令更改為之前的樣子
25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003cce589]) = 0
25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003b8e589) = 0

在某處放置一條陷阱指令

當 gdb 執行一個函式的時候，它也會在某個地方放置一條陷阱指令。這是其中一條。它基本上是用 cc 來替換一條指令（int3）。

5908  ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 5810, 0x7f6fa7c0b260, [0x48f389fd89485355]) = 0
5908  ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 5810, 0x7f6fa7c0b260, [0x48f389fd89485355]) = 0
5908 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 5810, 0x7f6fa7c0b260, 0x48f389fd894853cc) = 0

0x7f6fa7c0b260 是什麼？我檢視了程序的記憶體對映，發現它位於 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so 中的某個位置。這很奇怪，為什麼 gdb 將陷阱指令放在 libc 中？

讓我們看一看裡面的函式是什麼，它是 __libc_siglongjmp 。其他 gdb 放置陷阱指令的地方的函式是 __longjmp 、___longjmp_chk 、dl_main 和 _dl_close_worker 。

為什麼？我不知道！也許出於某種原因，當函式 foo() 返回時，它呼叫 longjmp ，從而 gdb 能夠進行返回控制。我不確定。