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在 Linux 上用 strace 來理解系統調用

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系統調用 system call 是程序從內核請求服務的一種編程方式，而 strace 是一個功能強大的工具，可讓你跟蹤用戶進程與 Linux 內核之間的交互。

要了解操作系統的工作原理，首先需要了解系統調用的工作原理。操作系統的主要功能之一是為用戶程序提供抽象機制。

操作系統可以大致分為兩種模式：

  • 內核模式：操作系統內核使用的一種強大的特權模式
  • 用戶模式：大多數用戶應用程序運行的地方 用戶大多使用命令行實用程序和圖形用戶界面（GUI）來執行日常任務。系統調用在後台靜默運行，與內核交互以完成工作。

系統調用與函數調用非常相似，這意味著它們都接受並處理參數然後返回值。唯一的區別是系統調用進入內核，而函數調用不進入。從用戶空間切換到內核空間是使用特殊的 trap 機制完成的。

通過使用系統庫（在 Linux 系統上又稱為 glibc），大部分系統調用對用戶隱藏了。儘管系統調用本質上是通用的，但是發出系統調用的機制在很大程度上取決於機器（架構）。

本文通過使用一些常規命令並使用 strace 分析每個命令進行的系統調用來探索一些實際示例。這些示例使用 Red Hat Enterprise Linux，但是這些命令運行在其他 Linux 發行版上應該也是相同的：

[root@sandbox ~]# cat /etc/redhat-release
Red Hat Enterprise Linux Server release 7.7 (Maipo)
[root@sandbox ~]#
[root@sandbox ~]# uname -r
3.10.0-1062.el7.x86_64
[root@sandbox ~]#

首先，確保在系統上安裝了必需的工具。你可以使用下面的 rpm 命令來驗證是否安裝了 strace。如果安裝了，則可以使用 -V 選項檢查 strace 實用程序的版本號：

[root@sandbox ~]# rpm -qa | grep -i strace
strace-4.12-9.el7.x86_64
[root@sandbox ~]#
[root@sandbox ~]# strace -V
strace -- version 4.12
[root@sandbox ~]#

如果沒有安裝，運行命令安裝：

yum install strace

出於本示例的目的，在 /tmp 中創建一個測試目錄，並使用 touch 命令創建兩個文件：

[root@sandbox ~]# cd /tmp/
[root@sandbox tmp]#
[root@sandbox tmp]# mkdir testdir
[root@sandbox tmp]#
[root@sandbox tmp]# touch testdir/file1
[root@sandbox tmp]# touch testdir/file2
[root@sandbox tmp]#

（我使用 /tmp 目錄是因為每個人都可以訪問它，但是你可以根據需要選擇另一個目錄。）

在 testdir 目錄下使用 ls 命令驗證該文件已經創建：

[root@sandbox tmp]# ls testdir/
file1  file2
[root@sandbox tmp]#

你可能每天都在使用 ls 命令，而沒有意識到系統調用在其下面發揮的作用。抽象地來說，該命令的工作方式如下：

命令行工具 -> 從系統庫（glibc）調用函數 -> 調用系統調用

ls 命令內部從 Linux 上的系統庫（即 glibc）調用函數。這些庫去調用完成大部分工作的系統調用。

如果你想知道從 glibc 庫中調用了哪些函數，請使用 ltrace 命令，然後跟上常規的 ls testdir/命令：

ltrace ls testdir/

如果沒有安裝 ltrace，鍵入如下命令安裝：

yum install ltrace

大量的輸出會被堆到屏幕上；不必擔心，只需繼續就行。ltrace 命令輸出中與該示例有關的一些重要庫函數包括：

opendir("testdir/")                                  = { 3 }
readdir({ 3 })                                       = { 101879119, "." }
readdir({ 3 })                                       = { 134, ".." }
readdir({ 3 })                                       = { 101879120, "file1" }
strlen("file1")                                      = 5
memcpy(0x1665be0, "file1", 6)                      = 0x1665be0
readdir({ 3 })                                       = { 101879122, "file2" }
strlen("file2")                                      = 5
memcpy(0x166dcb0, "file2", 6)                      = 0x166dcb0
readdir({ 3 })                                       = nil
closedir({ 3 })

通過查看上面的輸出，你或許可以了解正在發生的事情。opendir 庫函數打開一個名為 testdir 的目錄，然後調用 readdir 函數，該函數讀取目錄的內容。最後，有一個對 closedir 函數的調用，該函數將關閉先前打開的目錄。現在請先忽略其他 strlen 和 memcpy 功能。

你可以看到正在調用哪些庫函數，但是本文將重點介紹由系統庫函數調用的系統調用。

與上述類似，要了解調用了哪些系統調用，只需將 strace 放在 ls testdir 命令之前，如下所示。 再次，一堆亂碼丟到了你的屏幕上，你可以按照以下步驟進行操作：

[root@sandbox tmp]# strace ls testdir/
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
brk(NULL)                               = 0x1f12000
<<< truncated strace output >>>
write(1, "file1  file2n", 13file1  file2
)          = 13
close(1)                                = 0
munmap(0x7fd002c8d000, 4096)            = 0
close(2)                                = 0
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++
[root@sandbox tmp]#

運行 strace 命令後屏幕上的輸出就是運行 ls 命令的系統調用。每個系統調用都為操作系統提供了特定的用途，可以將它們大致分為以下幾個部分：

  • 進程管理系統調用
  • 文件管理系統調用
  • 目錄和文件系統管理系統調用
  • 其他系統調用

分析顯示到屏幕上的信息的一種更簡單的方法是使用 strace 方便的 -o 標誌將輸出記錄到文件中。在 -o 標誌後添加一個合適的文件名，然後再次運行命令：

[root@sandbox tmp]# strace -o trace.log ls testdir/
file1  file2
[root@sandbox tmp]#

這次，沒有任何輸出干擾屏幕顯示，ls 命令如預期般工作，顯示了文件名並將所有輸出記錄到文件 trace.log 中。僅僅是一個簡單的 ls 命令，該文件就有近 100 行內容：

[root@sandbox tmp]# ls -l trace.log
-rw-r--r--. 1 root root 7809 Oct 12 13:52 trace.log
[root@sandbox tmp]#
[root@sandbox tmp]# wc -l trace.log
114 trace.log
[root@sandbox tmp]#

讓我們看一下這個示例的 trace.log 文件的第一行:

execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
  • 該行的第一個單詞 execve 是正在執行的系統調用的名稱。
  • 括弧內的文本是提供給該系統調用的參數。
  • 符號 = 後的數字（在這種情況下為 0）是 execve 系統調用的返回值。

現在的輸出似乎還不太嚇人，對吧。你可以應用相同的邏輯來理解其他行。

現在，將關注點集中在你調用的單個命令上，即 ls testdir。你知道命令 ls 使用的目錄名稱，那麼為什麼不在 trace.log 文件中使用 grep 查找 testdir 並查看得到的結果呢？讓我們詳細查看一下結果的每一行：

[root@sandbox tmp]# grep testdir trace.log
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
stat("testdir/", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=32, ...}) = 0
openat(AT_FDCWD, "testdir/", O_RDONLY|O_NONBLOCK|O_DIRECTORY|O_CLOEXEC) = 3
[root@sandbox tmp]#

回顧一下上面對 execve 的分析，你能說一下這個系統調用的作用嗎？

execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0

你無需記住所有系統調用或它們所做的事情，因為你可以在需要時參考文檔。手冊頁可以解救你！在運行 man 命令之前，請確保已安裝以下軟體包：

[root@sandbox tmp]# rpm -qa | grep -i man-pages
man-pages-3.53-5.el7.noarch
[root@sandbox tmp]#

請記住，你需要在 man 命令和系統調用名稱之間添加 2。如果使用 man man 閱讀 man 命令的手冊頁，你會看到第 2 節是為系統調用保留的。同樣，如果你需要有關庫函數的信息，則需要在 man 和庫函數名稱之間添加一個 3。

以下是手冊的章節編號及其包含的頁面類型：

  • 1：可執行的程序或 shell 命令
  • 2：系統調用（由內核提供的函數）
  • 3：庫調用（在程序的庫內的函數）
  • 4：特殊文件（通常出現在 /dev）

使用系統調用名稱運行以下 man 命令以查看該系統調用的文檔：

man 2 execve

按照 execve 手冊頁，這將執行在參數中傳遞的程序（在本例中為 ls）。可以為 ls 提供其他參數，例如本例中的 testdir。因此，此系統調用僅以 testdir 作為參數運行 ls：

execve - execute program

DESCRIPTION
       execve()  executes  the  program  pointed to by filename

下一個系統調用，名為 stat，它使用 testdir 參數：

stat("testdir/", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=32, ...}) = 0

使用 man 2 stat 訪問該文檔。stat 是獲取文件狀態的系統調用，請記住，Linux 中的一切都是文件，包括目錄。

接下來，openat 系統調用將打開 testdir。密切注意返回的 3。這是一個文件描述符，將在以後的系統調用中使用：

openat(AT_FDCWD, "testdir/", O_RDONLY|O_NONBLOCK|O_DIRECTORY|O_CLOEXEC) = 3

到現在為止一切都挺好。現在，打開 trace.log 文件，並轉到 openat 系統調用之後的行。你會看到 getdents 系統調用被調用，該調用完成了執行 ls testdir 命令所需的大部分操作。現在，從 trace.log 文件中用 grep 獲取 getdents：

[root@sandbox tmp]# grep getdents trace.log
getdents(3, /* 4 entries */, 32768)     = 112
getdents(3, /* 0 entries */, 32768)     = 0
[root@sandbox tmp]#

getdents 的手冊頁將其描述為 「獲取目錄項」，這就是你要執行的操作。注意，getdents 的參數是 3，這是來自上面 openat 系統調用的文件描述符。

現在有了目錄列表，你需要一種在終端中顯示它的方法。因此，在日誌中用 grep 搜索另一個用於寫入終端的系統調用 write：

[root@sandbox tmp]# grep write trace.log
write(1, "file1  file2n", 13)          = 13
[root@sandbox tmp]#

在這些參數中，你可以看到將要顯示的文件名：file1 和 file2。關於第一個參數（1），請記住在 Linux 中，當運行任何進程時，默認情況下會為其打開三個文件描述符。以下是默認的文件描述符：

  • 0：標準輸入
  • 1：標準輸出
  • 2：標準錯誤

因此，write 系統調用將在標準顯示（就是這個終端，由 1 所標識的）上顯示 file1 和 file2。

現在你知道哪個系統調用完成了 ls testdir/ 命令的大部分工作。但是在 trace.log 文件中其它的 100 多個系統調用呢？操作系統必須做很多內務處理才能運行一個進程，因此，你在該日誌文件中看到的很多內容都是進程初始化和清理。閱讀整個 trace.log 文件，並嘗試了解 ls 命令是怎麼工作起來的。

既然你知道了如何分析給定命令的系統調用，那麼就可以將該知識用於其他命令來了解正在執行哪些系統調用。strace 提供了許多有用的命令行標誌，使你更容易使用，下面將對其中一些進行描述。

默認情況下，strace 並不包含所有系統調用信息。但是，它有一個方便的 -v 冗餘選項，可以在每個系統調用中提供附加信息：

strace -v ls testdir

在運行 strace 命令時始終使用 -f 選項是一種好的作法。它允許 strace 對當前正在跟蹤的進程創建的任何子進程進行跟蹤：

strace -f ls testdir

假設你只需要系統調用的名稱、運行的次數以及每個系統調用花費的時間百分比。你可以使用 -c 標誌來獲取這些統計信息：

strace -c ls testdir/

假設你想專註於特定的系統調用，例如專註於 open 系統調用，而忽略其餘部分。你可以使用-e 標誌跟上系統調用的名稱：

[root@sandbox tmp]# strace -e open ls testdir
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libselinux.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libcap.so.2", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libacl.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libpcre.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libdl.so.2", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libattr.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/lib64/libpthread.so.0", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
file1  file2
+++ exited with 0 +++
[root@sandbox tmp]#

如果你想關注多個系統調用怎麼辦？不用擔心，你同樣可以使用 -e 命令行標誌，並用逗號分隔開兩個系統調用的名稱。例如，要查看 write 和 getdents 系統調用：

[root@sandbox tmp]# strace -e write,getdents ls testdir
getdents(3, /* 4 entries */, 32768)     = 112
getdents(3, /* 0 entries */, 32768)     = 0
write(1, "file1  file2n", 13file1  file2
)          = 13
+++ exited with 0 +++
[root@sandbox tmp]#

到目前為止，這些示例是明確地運行的命令進行了跟蹤。但是，要跟蹤已經運行並正在執行的命令又怎麼辦呢？例如，如果要跟蹤用來長時間運行進程的守護程序，該怎麼辦？為此，strace 提供了一個特殊的 -p 標誌，你可以向其提供進程 ID。

我們的示例不在守護程序上運行 strace，而是以 cat 命令為例，如果你將文件名作為參數，通常 cat 會顯示文件的內容。如果沒有給出參數，cat 命令會在終端上等待用戶輸入文本。輸入文本後，它將重複給定的文本，直到用戶按下 Ctrl + C 退出為止。

從一個終端運行 cat 命令；它會向你顯示一個提示，並等待在那裡（記住 cat 仍在運行且尚未退出）：

[root@sandbox tmp]# cat

在另一個終端上，使用 ps 命令找到進程標識符（PID）：

[root@sandbox ~]# ps -ef | grep cat
root      22443  20164  0 14:19 pts/0    00:00:00 cat
root      22482  20300  0 14:20 pts/1    00:00:00 grep --color=auto cat
[root@sandbox ~]#

現在，使用 -p 標誌和 PID（在上面使用 ps 找到）對運行中的進程運行 strace。運行 strace 之後，其輸出說明了所接駁的進程的內容及其 PID。現在，strace 正在跟蹤 cat 命令進行的系統調用。看到的第一個系統調用是 read，它正在等待文件描述符 0（標準輸入，這是運行 cat 命令的終端）的輸入：

[root@sandbox ~]# strace -p 22443
strace: Process 22443 attached
read(0,

現在，返回到你運行 cat 命令的終端，並輸入一些文本。我出於演示目的輸入了 x0x0。注意 cat 是如何簡單地重複我輸入的內容的。因此，x0x0 出現了兩次。我輸入了第一個，第二個是 cat 命令重複的輸出：

[root@sandbox tmp]# cat
x0x0
x0x0

返回到將 strace 接駁到 cat 進程的終端。現在你會看到兩個額外的系統調用：較早的 read 系統調用，現在在終端中讀取 x0x0，另一個為 write，它將 x0x0 寫回到終端，然後是再一個新的 read，正在等待從終端讀取。請注意，標準輸入（0）和標準輸出（1）都在同一終端中：

[root@sandbox ~]# strace -p 22443
strace: Process 22443 attached
read(0, "x0x0n", 65536)                = 5
write(1, "x0x0n", 5)                   = 5
read(0,

想像一下，對守護進程運行 strace 以查看其在後台執行的所有操作時這有多大幫助。按下 Ctrl + C 殺死 cat 命令；由於該進程不再運行，因此這也會終止你的 strace 會話。

如果要查看所有的系統調用的時間戳，只需將 -t 選項與 strace 一起使用：

[root@sandbox ~]#strace -t ls testdir/

14:24:47 execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
14:24:47 brk(NULL)                      = 0x1f07000
14:24:47 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f2530bc8000
14:24:47 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
14:24:47 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3

如果你想知道兩次系統調用之間所花費的時間怎麼辦？strace 有一個方便的 -r 命令，該命令顯示執行每個系統調用所花費的時間。非常有用，不是嗎？

[root@sandbox ~]#strace -r ls testdir/

0.000000 execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
0.000368 brk(NULL)                 = 0x1966000
0.000073 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fb6b1155000
0.000047 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
0.000119 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3

總結

strace 實用程序非常有助於理解 Linux 上的系統調用。要了解它的其它命令行標誌，請參考手冊頁和在線文檔。

via: https://opensource.com/article/19/10/strace

作者：Gaurav Kamathe 選題：lujun9972 譯者：wxy 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive

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