gdb 如何调用函数？

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

在这周，我发现我可以从 gdb 上调用 C 函数。这看起来很酷，因为在过去我认为 gdb 最多只是一个只读调试工具。

我对 gdb 能够调用函数感到很吃惊。正如往常所做的那样，我在 Twitter 上询问这是如何工作的。我得到了大量的有用答案。我最喜欢的答案是 Evan Klitzke 的示例 C 代码，它展示了 gdb 如何调用函数。代码能够运行，这很令人激动！

我（通过一些跟踪和实验）认为那个示例 C 代码和 gdb 实际上如何调用函数不同。因此，在这篇文章中，我将会阐述 gdb 是如何调用函数的，以及我是如何知道的。

关于 gdb 如何调用函数，还有许多我不知道的事情，并且，在这儿我写的内容有可能是错误的。

从 gdb 中调用 C 函数意味着什么？

在开始讲解这是如何工作之前，我先快速的谈论一下我是如何发现这件令人惊讶的事情的。

假如，你已经在运行一个 C 程序（目标程序）。你可以运行程序中的一个函数，只需要像下面这样做：

暂停程序（因为它已经在运行中）
找到你想调用的函数的地址（使用符号表）
使程序（目标程序）跳转到那个地址
当函数返回时，恢复之前的指令指针和寄存器

通过符号表来找到想要调用的函数的地址非常容易。下面是一段非常简单但能够工作的代码，我在 Linux 上使用这段代码作为例子来讲解如何找到地址。这段代码使用 elf crate。如果我想找到 PID 为 2345 的进程中的 foo 函数的地址，那么我可以运行 elf_symbol_value("/proc/2345/exe", "foo")。

fn elf_symbol_value(file_name: &str, symbol_name: &str) -> Result<u64, Box<std::error::Error>> {
    // 打开 ELF 文件 
    let file = elf::File::open_path(file_name).ok().ok_or("parse error")?;
    // 在所有的段 & 符号中循环，直到找到正确的那个
    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")?
}

这并不能够真的发挥作用，你还需要找到文件的内存映射，并将符号偏移量加到文件映射的起始位置。找到内存映射并不困难，它位于 /proc/PID/maps 中。

总之，找到想要调用的函数地址对我来说很直接，但是其余部分（改变指令指针，恢复寄存器等）看起来就不这么明显了。

你不能仅仅进行跳转

我已经说过，你不能够仅仅找到你想要运行的那个函数地址，然后跳转到那儿。我在 gdb 中尝试过那样做（jump foo），然后程序出现了段错误。毫无意义。

如何从 gdb 中调用 C 函数

首先，这是可能的。我写了一个非常简洁的 C 程序，它所做的事只有 sleep 1000 秒，把这个文件命名为 test.c ：

#include <unistd.h>

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

接下来，编译并运行它：

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

最后，我们使用 gdb 来跟踪 test 这一程序：

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

我运行 p foo() 然后它运行了这个函数！这非常有趣。

这有什么用？

下面是一些可能的用途：

它使得你可以把 gdb 当成一个 C 应答式程序（REPL），这很有趣，我想对开发也会有用
在 gdb 中进行调试的时候展示/浏览复杂数据结构的功能函数（感谢 @invalidop）
在进程运行时设置一个任意的名字空间（我的同事 nelhage 对此非常惊讶）
可能还有许多我所不知道的用途

它是如何工作的

当我在 Twitter 上询问从 gdb 中调用函数是如何工作的时，我得到了大量有用的回答。许多答案是“你从符号表中得到了函数的地址”，但这并不是完整的答案。

有个人告诉了我两篇关于 gdb 如何工作的系列文章：原生调试：第一部分，原生调试：第二部分。第一部分讲述了 gdb 是如何调用函数的（指出了 gdb 实际上完成这件事并不简单，但是我将会尽力）。

步骤列举如下：

停止进程
创建一个新的栈框（远离真实栈）
保存所有寄存器
设置你想要调用的函数的寄存器参数
设置栈指针指向新的栈框stack frame
在内存中某个位置放置一条陷阱指令
为陷阱指令设置返回地址
设置指令寄存器的值为你想要调用的函数地址
再次运行进程！

（LCTT 译注：如果将这个调用的函数看成一个单独的线程，gdb 实际上所做的事情就是一个简单的线程上下文切换）

我不知道 gdb 是如何完成这些所有事情的，但是今天晚上，我学到了这些所有事情中的其中几件。

创建一个栈框

如果你想要运行一个 C 函数，那么你需要一个栈来存储变量。你肯定不想继续使用当前的栈。准确来说，在 gdb 调用函数之前（通过设置函数指针并跳转），它需要设置栈指针到某个地方。

这儿是 Twitter 上一些关于它如何工作的猜测：

我认为它在当前栈的栈顶上构造了一个新的栈框来进行调用！

以及

你确定是这样吗？它应该是分配一个伪栈，然后临时将 sp （栈指针寄存器）的值改为那个栈的地址。你可以试一试，你可以在那儿设置一个断点，然后看一看栈指针寄存器的值，它是否和当前程序寄存器的值相近？

我通过 gdb 做了一个试验：

(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

这看起来符合“gdb 在当前栈的栈顶构造了一个新的栈框”这一理论。因为栈指针（$rsp）从 0x7ffea3d0bca8 变成了 0x7ffea3d0bc00 —— 栈指针从高地址往低地址长。所以 0x7ffea3d0bca8 在 0x7ffea3d0bc00 的后面。真是有趣！

所以，看起来 gdb 只是在当前栈所在位置创建了一个新的栈框。这令我很惊讶！

改变指令指针

让我们来看一看 gdb 是如何改变指令指针的！

(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>

的确是！指令指针从 0x7fae7d29a2f0 变为了 0x40052a（foo 函数的地址）。

我盯着输出看了很久，但仍然不理解它是如何改变指令指针的，但这并不影响什么。

如何设置断点

上面我写到 break foo 。我跟踪 gdb 运行程序的过程，但是没有任何发现。

下面是 gdb 用来设置断点的一些系统调用。它们非常简单。它把一条指令用 cc 代替了（这告诉我们 int3 意味着 send SIGTRAP https://defuse.ca/online-x86-assembler.html），并且一旦程序被打断了，它就把指令恢复为原先的样子。

我在函数 foo 那儿设置了一个断点，地址为 0x400528 。

PTRACE_POKEDATA 展示了 gdb 如何改变正在运行的程序。

// 改变 0x400528 处的指令
25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003b8e589]) = 0
25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003cce589) = 0
// 开始运行程序
25622 ptrace(PTRACE_CONT, 25618, 0x1, SIG_0) = 0
// 当到达断点时获取一个信号
25622 ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, 25618, NULL, {si_signo=SIGTRAP, si_code=SI_KERNEL, si_value={int=-1447215360, ptr=0x7ffda9bd3f00}}) = 0
// 将 0x400528 处的指令更改为之前的样子
25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003cce589]) = 0
25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003b8e589) = 0

在某处放置一条陷阱指令

当 gdb 运行一个函数的时候，它也会在某个地方放置一条陷阱指令。这是其中一条。它基本上是用 cc 来替换一条指令（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 是什么？我查看了进程的内存映射，发现它位于 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.23.so 中的某个位置。这很奇怪，为什么 gdb 将陷阱指令放在 libc 中？

让我们看一看里面的函数是什么，它是 __libc_siglongjmp 。其他 gdb 放置陷阱指令的地方的函数是 __longjmp 、___longjmp_chk 、dl_main 和 _dl_close_worker 。

为什么？我不知道！也许出于某种原因，当函数 foo() 返回时，它调用 longjmp ，从而 gdb 能够进行返回控制。我不确定。