kprobe原理解析（二）

上一篇文章和大家简要说明了下kprobe到底应该怎样用，那么现在我们就揭开kprobe神秘的面纱，刨根问底，一睹kprobe的庐山真面目。

kprobe的工作过程大致如下：

1）注册kprobe。注册的每个kprobe对应一个kprobe结构体，该结构中记录着插入点（位置），以及该插入点本来对应的指令original_opcode；

2）替换原有指令。使能kprobe的时候，将插入点位置的指令替换为一条异常(BRK)指令，这样当CPU执行到插入点位置时会陷入到异常态；

3）执行pre_handler。进入异常态后，首先执行pre_handler，然后利用CPU提供的单步调试（single-step）功能，设置好相应的寄存器，将

                                    下一条指令设置为插入点处本来的指令，从异常态返回；

4）再次陷入异常态。上一步骤中设置了single-step相关的寄存器，所以originnal_opcode刚一执行，便会二进宫：再次陷入异常态，此时将single-step

                                  清除，并且执行post_handler，然后从异常态安全返回。

步骤2），3），4）便是一次kprobe工作的过程，它的一个基本思路就是将本来执行一条指令扩展成执行kprobe->pre_handler ---> 指令 ---> kprobe-->post_hander这样三个过程。下面详细解释每个过程：

指令替换过程：

 

上图中蓝色区域表示内存，红色标明了地址，绿色部分代表一条指令，上图的意思是，内存0xfffffc000162914处存放一条指令是0xa9bd7bfd。那么，现在我注册了一个kprobe，探测点是sys_write函数，该函数的起始位置就是0xffffffc000162914，现在我要使能kprobe了，那么我要做的就是把0xffffffc000162914处原来的指令0xa9bd7bfd替换成一条BRK指令，即上图所表示的一个移花接木过程。你可能会好奇原来的指令0xa9bd7bfd存在哪里？存在kprobe结构体的opcode域！这样当不再使能kprobe的时候，我再恢复回去。

触发BRK指令：

上面把人家指令给改了，那么CPU执行到BRK必然会引发内核陷入BRK异常状态：

蓝色部分依旧表示内存，绿色部分表示指令，红色表示CPU，上图表示CPU执行到0xffffffc000162914（sys_write）处，该处指令为BRK，于是内核陷入异常态。在异常态中，内核通过BRK指令的错误码判断这是一个kprobe异常，于是进入了kprobe处理函数。kprobe异常处理函数会根据发生异常的地址来找到对应的kprobe（kprobe的addr域记录着地址），执行kprobe的pre_handler函数，然后设置single-step相关的寄存器，为下一步执行原指令时发生single-step异常作准备。那么紧接着就是设置原指令的地址了，我们知道0xffffffc000162914处已经被替换成了BRK指令，原指令保存在kprobe结构体中，怎么保证下一步执行到原指令呢？最简单的做法是申请一块内存，然后将原指令复制到这块内存开始处，设置PC寄存器为该内存的首地址，这样当代码从异常态返回时，执行的第一条指令便是原指令了！

原指令得到执行，二进宫

经过上面一个步骤，pre_handler得到了执行，从异常态返回之后，原指令也得到了执行，但是由于设置了single-step模式，所以执行完原指令，马上又陷入了异常态，二进宫：

这次进入异常态后，先清一下single-step相关的寄存器，确保下次从异常返回时的指令不会由于single-step发生三进宫，然后执行post_handler，最后将地址0xfffffc000162918写入到PC寄存器，为什么是这个数值呢？它正是紧接着0xffffffc000162914的下一条指令的地址，有没有发现，至此我们已经完成了pre_handler->原指令->post_handler这样三个阶段，也就是说kprobe要做的事情都做完了，此时的工作就是收拾下残局，返回到正常的指令流程，我们的探测点在0xffffffc000162914处，下一条指令应该就是0xffffffc000162918了，所以把此值写入PC寄存器，让一切恢复正轨！

kprobe工作结束，走上正轨

上面把PC设置成了0xffffffc000162918，所以从异常态返回时，CPU就走上了正轨接着朝下面执行了，一个BRK指令引发的反应在此就告一段落了，但是每次当CPU执行到0xffffffc000162914处，都会触发上面的一连串操作，kprobe的机制也就是从一个BRK指令开始了。

注：

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由于kprobe涉及到程序指令的修改，这部分和体系结构相关，我选择的体系结构ARM64，如本文的BRK指令等均是ARM64中的概念，

x86中INT3与之对应。

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