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gdb 如何调用函数？
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（之前的 gdb 系列文章：[gdb 如何工作（2016）][4] 和[三步上手 gdb（2014）][5]）
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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。
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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][6] 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][7]，它展示了 gdb 如何调用函数。代码能够运行，这很令人激动！
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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。
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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。
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### 从 gdb 中调用 C 函数意味着什么？
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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。
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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：
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* 暂停程序（因为它已经在运行中）
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* 找到你想调用的函数的地址（使用符号表）
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* 使程序（目标程序）跳转到那个地址
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* 当函数返回时，恢复之前的指令指针和寄存器
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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][8]。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")`。
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```
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fn elf_symbol_value(file_name: &str, symbol_name: &str) -> Result<u64, Box<std::error::Error>> {
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// 打开 ELF 文件
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let file = elf::File::open_path(file_name).ok().ok_or("parse error")?;
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// 在所有的段 & 符号中循环，直到找到正确的那个
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let sections = &file.sections;
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for s in sections {
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for sym in file.get_symbols(&s).ok().ok_or("parse error")? {
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if sym.name == symbol_name {
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return Ok(sym.value);
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}
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}
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}
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None.ok_or("No symbol found")?
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}
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```
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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。
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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。
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### 你不能仅仅进行跳转
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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。
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### 如何从 gdb 中调用 C 函数
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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` ：
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```
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#include <unistd.h>
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int foo() {
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return 3;
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}
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int main() {
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sleep(1000);
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}
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```
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接下来，编译并运行它：
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```
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$ gcc -o test test.c
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$ ./test
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```
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最后，我们使用 gdb 来跟踪 `test` 这一程序：
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```
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$ sudo gdb -p $(pgrep -f test)
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(gdb) p foo()
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$1 = 3
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(gdb) quit
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```
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我运行 `p foo()` 然后它运行了这个函数！这非常有趣。
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### 这有什么用？
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下面是一些可能的用途：
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* 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
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* 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][1]）
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* [在进程运行时设置一个任意的名字空间][2]（我的同事 [nelhage][3] 对此非常惊讶）
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* 可能还有许多我所不知道的用途
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### 它是如何工作的
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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。
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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][9]，[原生调试：第二部分][10]。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）。
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步骤列举如下：
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1. 停止进程
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2. 创建一个新的栈框（远离真实栈）
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3. 保存所有寄存器
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4. 设置你想要调用的函数的寄存器参数
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5. 设置栈指针指向新的<ruby>栈框<rt>stack frame</rt></ruby>
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6. 在内存中某个位置放置一条陷阱指令
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7. 为陷阱指令设置返回地址
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8. 设置指令寄存器的值为你想要调用的函数地址
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9. 再次运行进程！
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（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）
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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。
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#### 创建一个栈框
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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。
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这儿是 Twitter 上一些关于它如何工作的猜测：
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> 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！
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以及
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> 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？
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我通过 gdb 做了一个试验：
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```
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(gdb) p $rsp
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$7 = (void *) 0x7ffea3d0bca8
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(gdb) break foo
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Breakpoint 1 at 0x40052a
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(gdb) p foo()
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Breakpoint 1, 0x000000000040052a in foo ()
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(gdb) p $rsp
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$8 = (void *) 0x7ffea3d0bc00
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```
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这看起来符合“gdb 在当前栈的栈顶构造了一个新的栈框”这一理论。因为栈指针（`$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！
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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！
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#### 改变指令指针
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让我们来看一看 gdb 是如何改变指令指针的！
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```
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(gdb) p $rip
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$1 = (void (*)()) 0x7fae7d29a2f0 <__nanosleep_nocancel+7>
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(gdb) b foo
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Breakpoint 1 at 0x40052a
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(gdb) p foo()
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Breakpoint 1, 0x000000000040052a in foo ()
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(gdb) p $rip
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$3 = (void (*)()) 0x40052a <foo+4>
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```
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的确是！指令指针从 `0x7fae7d29a2f0` 变为了 `0x40052a`（`foo` 函数的地址）。
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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。
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#### 如何设置断点
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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。
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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][11]），并且一旦程序被打断了，它就把指令恢复为原先的样子。
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我在函数 `foo` 那儿设置了一个断点，地址为 `0x400528` 。
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`PTRACE_POKEDATA` 展示了 gdb 如何改变正在运行的程序。
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// 改变 0x400528 处的指令
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25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003b8e589]) = 0
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25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003cce589) = 0
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// 开始运行程序
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25622 ptrace(PTRACE_CONT, 25618, 0x1, SIG_0) = 0
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// 当到达断点时获取一个信号
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25622 ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, 25618, NULL, {si_signo=SIGTRAP, si_code=SI_KERNEL, si_value={int=-1447215360, ptr=0x7ffda9bd3f00}}) = 0
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// 将 0x400528 处的指令更改为之前的样子
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25622 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 25618, 0x400528, [0x5d00000003cce589]) = 0
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25622 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 25618, 0x400528, 0x5d00000003b8e589) = 0
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#### 在某处放置一条陷阱指令
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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`）。
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5908 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 5810, 0x7f6fa7c0b260, [0x48f389fd89485355]) = 0
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5908 ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, 5810, 0x7f6fa7c0b260, [0x48f389fd89485355]) = 0
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5908 ptrace(PTRACE_POKEDATA, 5810, 0x7f6fa7c0b260, 0x48f389fd894853cc) = 0
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`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？
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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` 。
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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。
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### gdb 如何调用函数是很复杂的！
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我将要在这儿停止了（现在已经凌晨 1 点），但是我知道的多一些了！
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看起来“gdb 如何调用函数”这一问题的答案并不简单。我发现这很有趣并且努力找出其中一些答案，希望你也能够找到。
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我依旧有很多未回答的问题，关于 gdb 是如何完成这些所有事的，但是可以了。我不需要真的知道关于 gdb 是如何工作的所有细节，但是我很开心，我有了一些进一步的理解。
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via: https://jvns.ca/blog/2018/01/04/how-does-gdb-call-functions/
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作者：[Julia Evans][a]
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译者：[ucasFL](https://github.com/ucasFL)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]:https://jvns.ca/
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[1]:https://twitter.com/invalidop/status/949161146526781440
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[2]:https://github.com/baloo/setns/blob/master/setns.c
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[3]:https://github.com/nelhage
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[4]:https://linux.cn/article-9491-1.html
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[5]:https://linux.cn/article-9276-1.html
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[6]:https://twitter.com/b0rk/status/948060808243765248
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[7]:https://github.com/eklitzke/ptrace-call-userspace/blob/master/call_fprintf.c
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[8]:https://cole14.github.io/rust-elf
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[9]:https://www.cl.cam.ac.uk/~srk31/blog/2016/02/25/#native-debugging-part-1
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[10]:https://www.cl.cam.ac.uk/~srk31/blog/2017/01/30/#native-debugging-part-2
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[11]:https://defuse.ca/online-x86-assembler.htm
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