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一、gdb 断点类型
二、通过proc文件系统 设置软断点
三、通过ptrace(PTRACE_POKETEXT) 设置软断点
四、软断点触发后的处理流程
五、代码实现
六、总结
（代码：linux 6.3.1，架构：arm64）
One look is worth a thousand words. —— Tess Flanders
相关链接：
linux ptrace 图文详解（一）基础介绍
linux ptrace 图文详解（二） PTRACE_TRACEME 跟踪程序
linux ptrace 图文详解（三） PTRACE_ATTACH 跟踪程序
在阅读本文内容之前，我们先思考下以下几个问题：
1）gdb设置软断点，是否有数量限制？
2）目标程序触发软断点并暂停后，gdb是如何得知被调试程序是因为gdb设置的软断点停下来的？
一、gdb 断点类型
gdb中，最常用的一个调试手段就是打断点。不过，断点分为两种类型：软断点、硬断点。
- 软断点
通过软件的方式，将断点处的指令内容替换成 brk异常指令，当程序执行到断点指令处，会触发一个同步中断，最终将被调试程序暂停下来；
- 硬断点
通过配置CPU相关硬断点寄存器，无需改变被调试程序代码段，当程序执行到断点指令地址处时，CPU会主动触发一个断点异常，最终让被调试程序暂停下来；
- 两者对比
| 软断点(software breakpoints) | 硬断点(hardware breakpoints) | |
| 实现方式 | 通过在目标代码段中替换断点指令 | 通过设置CPU调试寄存器实现 |
| 数量限制 | 无限制 | 调试寄存器数量有限，取决于CPU架构 |
| 性能开销 | 较高，每次触发断点时需要额外处理 | 较低，由硬件直接支持 |
| 适用范围 | 仅适用于代码断点 | 适用于代码断点、数据断点 |
| 设置方式 | 通过gdb在目标代码处插入brk指令 | 通过gdb设置CPU调试寄存器 |
| 触发机制 | 执行到brk断点指令时，触发同步断点异常 | CPU访问到指定地址时，触发断点异常 |
| 适用场景 | 需要再多个位置设置断点，无需监控数据访问 | 需要监控特定内存地址的数据访问 |
接下来，笔者将介绍下gdb中两种设置软断点的方式，由于篇幅限制，硬断点的实现原理后续文章会再作介绍。
二、通过proc文件系统 设置软断点
通过proc文件系统中，被调试进程的mem文件，设置软断点的流程如下：
1）被调试程序被暂停后，唤醒父进程gdb；
2）用户在gdb中设置软断点；
3）gdb中打开目标调试程序在proc文件系统中对应的 /proc/PID/mem 文件；
4) 通过mem文件，修改进程虚拟地址空间中软断点所在指令内容，设置为brk指令（关于brk指令的一些介绍，可以参考笔者之前的这篇文章）；
三、通过ptrace(PTRACE_POKETEXT) 设置软断点
通过ptrace(PTRACE_POKETEXT) 设置软断点：
1）当目标调试程序暂停后，唤醒gdb父进程开始运行；
2）用户通过break设置软断点；
3）gdb中，调用ptrace系统调用，传递软断点在目标程序中的虚拟地址、以及替换的指令内容（brk指令）；
4）陷入内核后，最终会调用copy_to_user_page，替换目标程序代码段内存中指定断点位置处的指令，替换成brk指令；
5）设置完软断点后，用户执行continue唤醒调试程序继续运行；
至此，两种设置软断点的实现原理介绍完毕，接下来，笔者将分析软断点触发后的内核处理流程。
四、软断点触发后的处理流程
被调试程序，执行到断点处后，触发断点异常后的处理流程、以及gdb一些相关流程如下：
1）程序执行到软断点处，由于断点处的指令被替换为brk指令，于是触发同步异常陷入内核；
2）CPU跳转到内核的同步异常入口；
3）在同步异常的处理函数中，通过检查esr_el1.EC（exception class）字段，发现当前同步异常的类型是BRK64类型，于是调用el0_dbg函数处理debug类型的异常；
4）进一步调用到brk_handler去处理brk指令触发的同步异常；
5）在brk_handler中，会调用send_user_sigtrap函数，给当前被调试程序发送SIGTRAP信号；
6）在发送信号的同时，还会将当前程序触发异常的地址，记录到siginfo中，最终该siginfo对象会被保存到被调试程序的task_struct对象中，待后续gdb使用！
7）上述流程执行完后，就从同步异常处理流程中返回，并在返回用户态的前夕，发现当前被调试程序有待处理的SIGTRAP信号，于是调用do_signal进行处理；
8）由于当前程序属于PT_PTRACED状态，于是会走ptarce_signal处理流程，发送信号给父进程gdb，并唤醒父进程；
9）gdb被唤醒后，会调用ptrace(PTRACE_GETSIGINFO)，获取目标调试程序内核task_struct对象中保存的siginfo，进一步获取到被调试程序触发同步异常（即：软断点）时的代码段地址，用于与gdb内部维护的断点信息作比较，由此确定调试程序是触发了设置的软断点后暂停下来的！（解释了文章开头的 问题2）
10）确定目标程序是因为触发了设置好的软断点暂停后，gdb将控制权交给用户；
五、代码实现
1、gdb通过proc文件系统设置软断点
set_raw_breakpoint_at {the_target->insert_point (bp->raw_type, bp->pc, bp->kind, bp)A.K.Alinux_process_target::insert_point (enum raw_bkpt_type type, CORE_ADDR addr, int size, raw_breakpoint *bp) {if (type == raw_bkpt_type_sw) {insert_memory_breakpoint (struct raw_breakpoint *bp) {unsigned char buf[MAX_BREAKPOINT_LEN]read_inferior_memory (bp->pc, buf, bp_size (bp))memcpy (bp->old_data, buf, bp_size (bp))err = the_target->write_memory (bp->pc, bp_opcode(bp), bp_size(bp))A.K.Alinux_process_target::write_memory (CORE_ADDR memaddr = bp->pc, const unsigned char *myaddr = bp_opcode(bp), int len) {proc_xfer_memory (memaddr, nullptr, myaddr, len) {process_info *proc = current_process()int fd = proc->priv->mem_fdwhile (len > 0) {lseek (fd, memaddr, SEEK_SET)write (fd, writebuf, len)memaddr += byteswritebuf += byteslen -= bytes}}}}}}
}2、gdb通过ptrace(PTRACE_POKETEXT) 设置软断点
ptrace_request(struct task_struct *child, long request, unsigned long addr, unsigned long data) {switch (request) {case PTRACE_POKETEXT:return generic_ptrace_pokedata(struct task_struct *tsk = child, addr, data) {copied = ptrace_access_vm(tsk, addr, void *buf = &data, len = sizeof(data), gup_flags = FOLL_FORCE | FOLL_WRITE) {struct mm_struct *mmmm = get_task_mm(tsk)if (!tsk->ptrace || (current != tsk->parent) || ((get_dumpable(mm) != SUID_DUMP_USER) && !ptracer_capable(tsk, mm->user_ns))) {mmput(mm)return 0}ret = __access_remote_vm(mm, addr, buf, len, gup_flags) {struct vm_area_struct *vmaint write = gup_flags & FOLL_WRITEwhile (len) {get_user_pages_remote(mm, addr, 1, gup_flags, &page, &vma, NULL)bytes = lenoffset = addr & (PAGE_SIZE-1)maddr = kmap(page)if (write) {copy_to_user_page(vma, page, addr, maddr + offset, buf, bytes) // <<<<<<< 设置软断点set_page_dirty_lock(page)} else {copy_from_user_page(vma, page, addr, buf, maddr + offset, bytes)}kunmap(page)put_page(page)len -= bytesbuf += bytesaddr += bytes}return buf - old_buf}//__access_remote_vmmmput(mm)return ret}//ptrace_access_vmreturn (copied == sizeof(data)) ? 0 : -EIO}//generic_ptrace_pokedata}
}3、被调试程序触发软断点后的处理流程
// arch/arm64/kernel/entry-common.c
el0t_64_sync_handler {unsigned long esr = read_sysreg(esr_el1)switch (ESR_ELx_EC(esr))case ESR_ELx_EC_BRK64:el0_dbg {/* (1) 处理BRK64同步异常, 强制给自己发送SIGTRAP信号 */do_debug_exception {const struct fault_info *inf = esr_to_debug_fault_info(esr)return debug_fault_info + DBG_ESR_EVT(esr)inf->fn(addr_if_watchpoint, esr, regs)A.K.Abrk_handler {call_break_hook(regs, esr) // used for kprobesif (user_mode(regs))send_user_sigtrap(si_code = TRAP_BRKPT)arm64_force_sig_fault(SIGTRAP, si_code, instruction_pointer(regs), "User debug trap")force_sig_fault(signo, code, (void __user *)far)force_sig_fault_to_task(sig, code, addr, ___ARCH_SI_IA64(imm, flags, isr), current) {struct kernel_siginfo info;clear_siginfo(&info);info.si_signo = sig; // A.K.A: SIGTRAPinfo.si_errno = 0;info.si_code = code; // A.K.A: TRAP_BRKPTinfo.si_addr = addr; // A.K.A: farreturn force_sig_info_to_task(&info, t, HANDLER_CURRENT);}}}/* (2) 返回用户态前夕处理信号, 发送SIGCHLD给parent, 若parent处于block wait就wake它, 并将自己挂起 */exit_to_user_mode {prepare_exit_to_user_modelocal_daif_maskdo_notify_resume {if (thread_flags & _TIF_NEED_RESCHED)schedule()if (thread_flags & (_TIF_SIGPENDING | _TIF_NOTIFY_SIGNAL))do_signal {get_signalptrace_signalptrace_stop}}}}
}六、总结
本文介绍了gdb中两种设置软断点的实现方式，以及程序触发软断点后的内核处理流程。
软断点的本质：修改断点代码处的指令内容，替换成brk指令。
