在 Linux 上用 strace 来理解系统调用

发表于 讨论求助 2021-10-26 10:23:59

使用 strace 跟踪用户进程和 linux 内核之间的交互。-- Gaurav Kamathe(作者)

系统调用(system call)是程序从内核请求服务的一种编程方式,而 strace 是一个功能强大的工具,可让你跟踪用户进程与 Linux 内核之间的交互。

要了解操作系统的工作原理,首先需要了解系统调用的工作原理。操作系统的主要功能之一是为用户程序提供抽象机制。

操作系统可以大致分为两种模式:

内核模式:操作系统内核使用的一种强大的特权模式用户模式:大多数用户应用程序运行的地方 用户大多使用命令行实用程序和图形用户界面(GUI)来执行日常任务。系统调用在后台静默运行,与内核交互以完成工作。

系统调用与函数调用非常相似,这意味着它们都接受并处理参数然后返回值。唯一的区别是系统调用进入内核,而函数调用不进入。从用户空间切换到内核空间是使用特殊的 trap 机制完成的。

通过使用系统库(在 Linux 系统上又称为 glibc),大部分系统调用对用户隐藏了。尽管系统调用本质上是通用的,但是发出系统调用的机制在很大程度上取决于机器(架构)。

本文通过使用一些常规命令并使用 strace 分析每个命令进行的系统调用来探索一些实际示例。这些示例使用 Red Hat Enterprise Linux,但是这些命令运行在其他 Linux 发行版上应该也是相同的:

首先,确保在系统上安装了必需的工具。你可以使用下面的 rpm 命令来验证是否安装了 strace。如果安装了,则可以使用 -V 选项检查 strace 实用程序的版本号:

如果没有安装,运行命令安装:

出于本示例的目的,在 /tmp 中创建一个测试目录,并使用 touch 命令创建两个文件:

(我使用 /tmp 目录是因为每个人都可以访问它,但是你可以根据需要选择另一个目录。)

在 testdir 目录下使用 ls 命令验证该文件已经创建:

你可能每天都在使用 ls 命令,而没有意识到系统调用在其下面发挥的作用。抽象地来说,该命令的工作方式如下:

命令行工具 -> 从系统库(glibc)调用函数 -> 调用系统调用

ls 命令内部从 Linux 上的系统库(即 glibc)调用函数。这些库去调用完成大部分工作的系统调用。

如果你想知道从 glibc 库中调用了哪些函数,请使用 ltrace 命令,然后跟上常规的 ls testdir/命令:

如果没有安装 ltrace,键入如下命令安装:

大量的输出会被堆到屏幕上;不必担心,只需继续就行。ltrace 命令输出中与该示例有关的一些重要库函数包括:

通过查看上面的输出,你或许可以了解正在发生的事情。opendir 库函数打开一个名为 testdir 的目录,然后调用 readdir 函数,该函数读取目录的内容。最后,有一个对 closedir 函数的调用,该函数将关闭先前打开的目录。现在请先忽略其他 strlen 和 memcpy 功能。

你可以看到正在调用哪些库函数,但是本文将重点介绍由系统库函数调用的系统调用。

与上述类似,要了解调用了哪些系统调用,只需将 strace 放在 ls testdir 命令之前,如下所示。 再次,一堆乱码丢到了你的屏幕上,你可以按照以下步骤进行操作:

运行 strace 命令后屏幕上的输出就是运行 ls 命令的系统调用。每个系统调用都为操作系统提供了特定的用途,可以将它们大致分为以下几个部分:

进程管理系统调用文件管理系统调用目录和文件系统管理系统调用其他系统调用

分析显示到屏幕上的信息的一种更简单的方法是使用 strace 方便的 -o 标志将输出记录到文件中。在 -o 标志后添加一个合适的文件名,然后再次运行命令:

这次,没有任何输出干扰屏幕显示,ls 命令如预期般工作,显示了文件名并将所有输出记录到文件 trace.log 中。仅仅是一个简单的 ls 命令,该文件就有近 100 行内容:

让我们看一下这个示例的 trace.log 文件的第一行:

该行的第一个单词 execve 是正在执行的系统调用的名称。括号内的文本是提供给该系统调用的参数。符号 = 后的数字(在这种情况下为 0)是 execve 系统调用的返回值。

现在的输出似乎还不太吓人,对吧。你可以应用相同的逻辑来理解其他行。

现在,将关注点集中在你调用的单个命令上,即 ls testdir。你知道命令 ls 使用的目录名称,那么为什么不在 trace.log 文件中使用 grep 查找 testdir 并查看得到的结果呢?让我们详细查看一下结果的每一行:

回顾一下上面对 execve 的分析,你能说一下这个系统调用的作用吗?

你无需记住所有系统调用或它们所做的事情,因为你可以在需要时参考文档。手册页可以解救你!在运行 man 命令之前,请确保已安装以下软件包:

请记住,你需要在 man 命令和系统调用名称之间添加 2。如果使用 man man 阅读 man 命令的手册页,你会看到第 2 节是为系统调用保留的。同样,如果你需要有关库函数的信息,则需要在 man 和库函数名称之间添加一个 3。

以下是手册的章节编号及其包含的页面类型:

1:可执行的程序或 shell 命令2:系统调用(由内核提供的函数)3:库调用(在程序的库内的函数)4:特殊文件(通常出现在 /dev)

使用系统调用名称运行以下 man 命令以查看该系统调用的文档:

按照 execve 手册页,这将执行在参数中传递的程序(在本例中为 ls)。可以为 ls 提供其他参数,例如本例中的 testdir。因此,此系统调用仅以 testdir 作为参数运行 ls:

下一个系统调用,名为 stat,它使用 testdir 参数:

使用 man 2 stat 访问该文档。stat 是获取文件状态的系统调用,请记住,Linux 中的一切都是文件,包括目录。

接下来,openat 系统调用将打开 testdir。密切注意返回的 3。这是一个文件描述符,将在以后的系统调用中使用:

到现在为止一切都挺好。现在,打开 trace.log 文件,并转到 openat 系统调用之后的行。你会看到 getdents 系统调用被调用,该调用完成了执行 ls testdir 命令所需的大部分操作。现在,从 trace.log 文件中用 grep 获取 getdents:

getdents 的手册页将其描述为 “获取目录项”,这就是你要执行的操作。注意,getdents 的参数是 3,这是来自上面 openat 系统调用的文件描述符。

现在有了目录列表,你需要一种在终端中显示它的方法。因此,在日志中用 grep 搜索另一个用于写入终端的系统调用 write:

在这些参数中,你可以看到将要显示的文件名:file1 和 file2。关于第一个参数(1),请记住在 Linux 中,当运行任何进程时,默认情况下会为其打开三个文件描述符。以下是默认的文件描述符:

0:标准输入1:标准输出2:标准错误

因此,write 系统调用将在标准显示(就是这个终端,由 1 所标识的)上显示 file1 和 file2。

现在你知道哪个系统调用完成了 ls testdir/ 命令的大部分工作。但是在 trace.log 文件中其它的 100 多个系统调用呢?操作系统必须做很多内务处理才能运行一个进程,因此,你在该日志文件中看到的很多内容都是进程初始化和清理。阅读整个 trace.log 文件,并尝试了解 ls 命令是怎么工作起来的。

既然你知道了如何分析给定命令的系统调用,那么就可以将该知识用于其他命令来了解正在执行哪些系统调用。strace 提供了许多有用的命令行标志,使你更容易使用,下面将对其中一些进行描述。

默认情况下,strace 并不包含所有系统调用信息。但是,它有一个方便的 -v 冗余选项,可以在每个系统调用中提供附加信息:

在运行 strace 命令时始终使用 -f 选项是一种好的作法。它允许 strace 对当前正在跟踪的进程创建的任何子进程进行跟踪:

假设你只需要系统调用的名称、运行的次数以及每个系统调用花费的时间百分比。你可以使用 -c 标志来获取这些统计信息:

假设你想专注于特定的系统调用,例如专注于 open 系统调用,而忽略其余部分。你可以使用-e 标志跟上系统调用的名称:

如果你想关注多个系统调用怎么办?不用担心,你同样可以使用 -e 命令行标志,并用逗号分隔开两个系统调用的名称。例如,要查看 write 和 getdents 系统调用:

到目前为止,这些示例是明确地运行的命令进行了跟踪。但是,要跟踪已经运行并正在执行的命令又怎么办呢?例如,如果要跟踪用来长时间运行进程的守护程序,该怎么办?为此,strace 提供了一个特殊的 -p 标志,你可以向其提供进程 ID。

我们的示例不在守护程序上运行 strace,而是以 cat 命令为例,如果你将文件名作为参数,通常 cat 会显示文件的内容。如果没有给出参数,cat 命令会在终端上等待用户输入文本。输入文本后,它将重复给定的文本,直到用户按下 Ctrl + C 退出为止。

从一个终端运行 cat 命令;它会向你显示一个提示,并等待在那里(记住 cat 仍在运行且尚未退出):

在另一个终端上,使用 ps 命令找到进程标识符(PID):

现在,使用 -p 标志和 PID(在上面使用 ps 找到)对运行中的进程运行 strace。运行 strace 之后,其输出说明了所接驳的进程的内容及其 PID。现在,strace 正在跟踪 cat 命令进行的系统调用。看到的第一个系统调用是 read,它正在等待文件描述符 0(标准输入,这是运行 cat 命令的终端)的输入:

现在,返回到你运行 cat 命令的终端,并输入一些文本。我出于演示目的输入了 x0x0。注意 cat 是如何简单地重复我输入的内容的。因此,x0x0 出现了两次。我输入了第一个,第二个是 cat 命令重复的输出:

返回到将 strace 接驳到 cat 进程的终端。现在你会看到两个额外的系统调用:较早的 read 系统调用,现在在终端中读取 x0x0,另一个为 write,它将 x0x0 写回到终端,然后是再一个新的 read,正在等待从终端读取。请注意,标准输入(0)和标准输出(1)都在同一终端中:

想象一下,对守护进程运行 strace 以查看其在后台执行的所有操作时这有多大帮助。按下 Ctrl + C 杀死 cat 命令;由于该进程不再运行,因此这也会终止你的 strace 会话。

如果要查看所有的系统调用的时间戳,只需将 -t 选项与 strace 一起使用:

如果你想知道两次系统调用之间所花费的时间怎么办?strace 有一个方便的 -r 命令,该命令显示执行每个系统调用所花费的时间。非常有用,不是吗?

总结

strace 实用程序非常有助于理解 Linux 上的系统调用。要了解它的其它命令行标志,请参考手册页和在线文档。


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