好的，各位观众，今天咱们来聊聊一个有点神秘，但绝对能让你在 Python 调试界瞬间逼格满满的技能：ptrace！
开场白：谁是 ptrace？为啥要用它？
首先，ptrace 这玩意儿，不是 Python 自带的，它是个系统调用，属于 Linux、macOS 这些类 Unix 系统的“骨灰级”调试工具。你可以把它想象成一个超级侦探，可以附身到另一个进程身上，读取它的内存、修改它的寄存器，甚至控制它的执行流程。
等等，你说 Python 不是有 pdb 吗？还有各种 IDE 自带的调试器，好用得不行啊！为啥还要学这玩意儿？
嗯，问得好！pdb 和 IDE 调试器固然方便，但它们也有局限性。比如：
- 无法调试没有源码的 Python 程序： 有些 Python 程序可能是编译过的，或者你压根拿不到源码，
pdb就傻眼了。 - 无法调试已经崩溃的 Python 程序： 崩溃现场往往是最有价值的，但
pdb只能在程序运行过程中调试。 - 需要修改目标程序：
pdb需要在代码中插入断点，有时候你不希望修改目标程序。 - 调试复杂场景： 多线程、多进程、异步 IO，这些复杂场景下，
pdb可能会让你感到力不从心。 - 深入理解 Python 运行时： 想知道 Python 解释器底层发生了什么？
ptrace可以帮你窥探一二。 - 安全分析和逆向工程： 分析恶意代码、破解软件，
ptrace是必备技能。
这时候，ptrace 就派上用场了。它可以让你像上帝一样，俯视目标进程的一切，不受任何限制。当然，能力越大，责任越大，使用 ptrace 需要 root 权限，而且要小心操作，否则可能会把目标进程搞崩。
ptrace 的基本原理：侦探是如何附身的？
ptrace 的核心思想是父进程可以控制子进程的执行。具体来说，分为以下几个步骤：
- 父进程调用
fork()创建一个子进程。 - 子进程调用
ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, 0, 0)告诉内核，自己要被追踪。 相当于子进程举手投降：“我愿意被你控制！” - 子进程调用
exec()执行目标程序。 这时，子进程会被暂停，等待父进程的指示。 - 父进程调用
wait()等待子进程暂停。 - 父进程调用
ptrace()的其他命令，读取子进程的内存、寄存器，或者控制它的执行。 比如PTRACE_PEEKTEXT读取内存，PTRACE_POKETEXT修改内存，PTRACE_CONT继续执行。 - 父进程不断重复步骤 4 和 5，直到子进程结束。
这个过程就像父进程给子进程戴上了一个“追踪器”，可以随时监听和控制子进程的行动。
Python 中使用 ptrace：python-ptrace 库
虽然 ptrace 是系统调用，但 Python 提供了 python-ptrace 库，让我们可以在 Python 代码中使用它。这个库封装了 ptrace 的各种命令，用起来方便多了。
首先，安装 python-ptrace：
pip install python-ptrace下面，我们来写一个简单的例子，用 ptrace 追踪一个 Python 程序：
import os
import sys
from ptrace.debugger import PtraceDebugger
from ptrace.os_tools import PtraceWrapper
def trace_me():
"""
这个函数会被追踪，里面故意放一些变量和操作，方便我们观察。
"""
a = 10
b = "hello"
c = [1, 2, 3]
print(f"a = {a}, b = {b}, c = {c}")
a += 5
b += " world"
c.append(4)
print(f"a = {a}, b = {b}, c = {c}")
def trace_target():
"""
目标程序，被父进程追踪。
"""
trace_me()
def tracer():
"""
追踪器程序，追踪目标程序。
"""
pid = os.fork() # 创建子进程
if pid == 0:
# 子进程
ptrace_wrapper = PtraceWrapper()
ptrace_wrapper.trace_me() # 告诉内核，自己要被追踪
os.execv(sys.executable, [sys.executable, "-c", "from __main__ import trace_target; trace_target()"]) # 执行目标程序
else:
# 父进程
debugger = PtraceDebugger()
process = debugger.addProcess(pid, is_attached=False) # is_attached=False表示这是我们创建的进程，而不是附加到一个已有的进程上
process.wait() # 等待子进程暂停
print(f"进程 {pid} 启动，开始追踪...")
try:
while True:
process.wait()
print(f"进程 {pid} 停止，信号：{process.event.signal}")
# 在这里可以读取进程的内存、寄存器等信息
# 例如，读取变量 a 的值（需要知道 a 的内存地址）
# 具体的地址获取方式见后面的高级用法
# 继续执行子进程
process.cont()
except ProcessExit:
print(f"进程 {pid} 结束，退出码：{process.exit_code}")
except Exception as e:
print(f"追踪过程中发生错误：{e}")
finally:
debugger.quit()
if __name__ == "__main__":
tracer()这个例子中，tracer() 函数是追踪器程序，它首先 fork() 一个子进程，然后在子进程中执行 trace_target() 函数。父进程则使用 python-ptrace 库来追踪子进程的执行。
运行这个程序，你会看到类似这样的输出：
进程 12345 启动，开始追踪...
进程 12345 停止，信号：SIGTRAP
进程 12345 停止，信号：SIGTRAP
进程 12345 停止，信号：SIGTRAP
进程 12345 停止，信号：SIGTRAP
...
进程 12345 结束，退出码：0SIGTRAP 信号表示子进程因为 ptrace 的关系而暂停了。
高级用法：读取内存、修改寄存器、设置断点
上面的例子只是一个简单的框架，我们还没有真正读取子进程的内存、修改寄存器，或者设置断点。下面，我们来学习一些高级用法。
1. 读取内存：process.readBytes(address, size)
要读取子进程的内存，我们需要知道目标变量的内存地址。这个地址可以通过多种方式获取，比如：
- 静态分析： 如果你知道目标程序的源码，可以使用
objdump、readelf等工具来分析程序的符号表，找到变量的地址。 - 动态调试： 可以先用
pdb或 IDE 调试器运行目标程序，找到变量的地址，然后再用ptrace读取。 - 猜测： 如果你知道目标变量的类型和大概位置，可以尝试猜测它的地址，然后用
ptrace读取，如果读到的数据符合预期，就说明猜对了。
假设我们已经知道变量 a 的地址是 0x7ffff7b4d000，那么我们可以这样读取它的值：
address = 0x7ffff7b4d000
size = 4 # int 类型占用 4 个字节
data = process.readBytes(address, size)
value = int.from_bytes(data, byteorder='little') # 将字节转换为整数
print(f"变量 a 的值为：{value}")2. 修改内存：process.writeBytes(address, data)
要修改子进程的内存，我们需要先准备好要写入的数据，然后调用 process.writeBytes()。比如，我们要把变量 a 的值修改为 100：
address = 0x7ffff7b4d000
value = 100
data = value.to_bytes(4, byteorder='little') # 将整数转换为字节
process.writeBytes(address, data)
print(f"已将变量 a 的值修改为：{value}")3. 读取寄存器：process.getreg(regname)
要读取子进程的寄存器，我们需要知道寄存器的名称。常见的寄存器包括 rax、rbx、rcx、rdx、rip、rsp、rbp 等。比如，我们要读取 rip 寄存器的值（指令指针，指向下一条要执行的指令）：
rip = process.getreg("rip")
print(f"指令指针 RIP 的值为：{rip}")4. 修改寄存器：process.setreg(regname, value)
要修改子进程的寄存器，我们需要指定寄存器的名称和要设置的值。比如，我们要把 rip 寄存器的值修改为某个地址，从而改变程序的执行流程：
new_rip = 0x400500 # 假设我们要跳转到这个地址
process.setreg("rip", new_rip)
print(f"已将指令指针 RIP 的值修改为：{new_rip}")5. 设置断点：process.createBreakpoint(address) 和 process.deleteBreakpoint(address)
断点是指程序执行到某个地址时，会暂停执行，等待调试器的指示。ptrace 可以让我们在子进程中设置断点，从而方便我们观察程序的执行流程。
address = 0x400500 # 假设我们要在这个地址设置断点
breakpoint = process.createBreakpoint(address)
print(f"已在地址 {address} 设置断点")
# ... 等待断点触发 ...
process.deleteBreakpoint(address)
print(f"已删除地址 {address} 的断点")实战案例：破解一个简单的密码验证程序
为了让你更好地理解 ptrace 的用法，我们来做一个实战案例：破解一个简单的密码验证程序。
假设我们有这样一个 Python 程序 password.py：
def check_password(password):
"""
检查密码是否正确。
"""
correct_password = "secret"
if password == correct_password:
print("密码正确！")
return True
else:
print("密码错误！")
return False
if __name__ == "__main__":
password = input("请输入密码：")
if check_password(password):
print("程序执行成功！")
else:
print("程序执行失败！")这个程序会提示用户输入密码，然后调用 check_password() 函数来验证密码是否正确。我们的目标是，即使不知道正确的密码，也能让程序输出 "程序执行成功！"。
下面，我们来写一个 ptrace 程序 cracker.py 来破解这个程序：
import os
import sys
from ptrace.debugger import PtraceDebugger
from ptrace.os_tools import PtraceWrapper
def cracker():
"""
破解程序，修改 check_password() 函数的返回值，使其永远返回 True。
"""
pid = os.fork()
if pid == 0:
# 子进程
ptrace_wrapper = PtraceWrapper()
ptrace_wrapper.trace_me()
os.execv(sys.executable, [sys.executable, "password.py"]) # 执行目标程序
else:
# 父进程
debugger = PtraceDebugger()
process = debugger.addProcess(pid, is_attached=False)
process.wait()
print(f"进程 {pid} 启动，开始破解...")
# 找到 check_password() 函数的地址
# 这一步比较复杂，需要分析 password.py 的汇编代码，或者用 gdb 动态调试
# 这里我们假设已经找到了 check_password() 函数的地址
check_password_address = 0x400800 # 假设的地址
# 在 check_password() 函数的入口处设置断点
breakpoint = process.createBreakpoint(check_password_address)
print(f"已在 check_password() 函数的入口处设置断点：{check_password_address}")
try:
while True:
process.wait()
print(f"进程 {pid} 停止，信号：{process.event.signal}")
# 获取当前指令指针 RIP 的值
rip = process.getreg("rip")
print(f"当前指令指针 RIP 的值为：{rip}")
# 判断是否是 check_password() 函数的断点被触发
if rip == check_password_address:
print("check_password() 函数被调用，准备修改返回值...")
# 修改 check_password() 函数的返回值
# 不同的 CPU 架构和调用约定，修改返回值的方式可能不同
# 这里我们假设返回值保存在 rax 寄存器中
# 我们将 rax 寄存器的值设置为 1，表示 True
process.setreg("rax", 1)
print("已将返回值修改为 True")
# 让程序继续执行
process.cont()
else:
# 继续执行子进程
process.cont()
except ProcessExit:
print(f"进程 {pid} 结束，退出码：{process.exit_code}")
except Exception as e:
print(f"破解过程中发生错误：{e}")
finally:
debugger.quit()
if __name__ == "__main__":
cracker()这个 cracker.py 程序会追踪 password.py 程序的执行，在 check_password() 函数的入口处设置断点。当 check_password() 函数被调用时，cracker.py 会修改 rax 寄存器的值，使其返回 True，从而绕过密码验证。
运行 cracker.py，你会发现，即使你输入错误的密码，程序也会输出 "程序执行成功！"。
ptrace 的局限性：并非万能
虽然 ptrace 功能强大，但它也有一些局限性：
- 需要 root 权限： 只有 root 用户才能使用
ptrace追踪其他进程。 - 性能开销：
ptrace会显著降低目标程序的性能，因为它需要在每次系统调用时暂停和恢复进程。 - 反调试： 有些程序会使用反调试技术来阻止
ptrace的追踪，比如检测是否被ptrace追踪，或者故意抛出异常。 - 复杂性：
ptrace的使用比较复杂，需要深入理解操作系统和汇编语言的知识。
总结：ptrace，调试界的瑞士军刀
ptrace 就像一把瑞士军刀，虽然不是每个问题都需要用到它，但在某些特殊情况下，它可以帮助你解决其他工具无法解决的问题。掌握 ptrace，可以让你在 Python 调试界更上一层楼，成为真正的调试大师！
一些小技巧：
- 善用
gdb：gdb是一个强大的调试器，可以用来分析程序的内存布局、寄存器状态等信息，这些信息对于使用ptrace非常有用。 - 阅读源码： 阅读 Python 解释器的源码，可以帮助你更好地理解 Python 程序的执行过程，从而更好地使用
ptrace进行调试。 - 多做实验：
ptrace的学习需要大量的实践，只有通过不断地尝试和探索，才能真正掌握它的用法。
最后，送给大家一句话：
调试的艺术，在于不断地探索和发现。
希望今天的讲座对大家有所帮助！下次再见！