在Linux上用strace來理解系統(tǒng)調(diào)用
使用 strace 跟蹤用戶進程和 Linux 內(nèi)核之間的交互。
系統(tǒng)調(diào)用是程序從內(nèi)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(nèi)核之間的交互。
要了解操作系統(tǒng)的工作原理，首先需要了解系統(tǒng)調(diào)用的工作原理。操作系統(tǒng)的主要功能之一是為用戶程序提供抽象機制。
操作系統(tǒng)可以大致分為兩種模式：
- 內(nèi)核模式：操作系統(tǒng)內(nèi)核使用的一種強大的特權(quán)模式
- 用戶模式：大多數(shù)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(zhí)行日常任務。系統(tǒng)調(diào)用在后臺靜默運行，與內(nèi)核交互以完成工作。
系統(tǒng)調(diào)用與函數(shù)調(diào)用非常相似，這意味著它們都接受并處理參數(shù)然后返回值。唯一的區(qū)別是系統(tǒng)調(diào)用進入內(nèi)核，而函數(shù)調(diào)用不進入。從用戶空間切換到內(nèi)核空間是使用特殊的 trap 機制完成的。
通過使用系統(tǒng)庫（在 Linux 系統(tǒng)上又稱為 glibc），大部分系統(tǒng)調(diào)用對用戶隱藏了。盡管系統(tǒng)調(diào)用本質(zhì)上是通用的，但是發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用的機制在很大程度上取決于機器（架構(gòu)）。
本文通過使用一些常規(guī)命令并使用 strace 分析每個命令進行的系統(tǒng)調(diào)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(fā)行版上應該也是相同的：
[root@sandbox ~]# cat /etc/redhat-releaseRed Hat Enterprise Linux Server release 7.7 (Maipo)[root@sandbox ~]#[root@sandbox ~]# uname -r3.10.0-1062.el7.x86_64[root@sandbox ~]#
首先，確保在系統(tǒng)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 stracestrace-4.12-9.el7.x86_64[root@sandbox ~]#[root@sandbox ~]# strace -Vstrace -- version 4.12[root@sandbox ~]#
如果沒有安裝，運行命令安裝：
yum install strace
出于本示例的目的，在 /tmp 中創(chuàng)建一個測試目錄，并使用 touch 命令創(chuàng)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(jù)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(jīng)創(chuàng)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(tǒng)調(diào)用在其下面發(fā)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(tǒng)庫（glibc）調(diào)用函數(shù) -> 調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用
ls 命令內(nèi)部從 Linux 上的系統(tǒng)庫（即 glibc）調(diào)用函數(shù)。這些庫去調(diào)用完成大部分工作的系統(tǒng)調(diào)用。
如果你想知道從 glibc 庫中調(diào)用了哪些函數(shù)，請使用 ltrace 命令，然后跟上常規(guī)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(xù)就行。ltrace 命令輸出中與該示例有關的一些重要庫函數(shù)包括：
opendir("testdir/") = { 3 }readdir({ 3 }) = { 101879119, "." }readdir({ 3 }) = { 134, ".." }readdir({ 3 }) = { 101879120, "file1" }strlen("file1") = 5memcpy(0x1665be0, "file1\0", 6) = 0x1665be0readdir({ 3 }) = { 101879122, "file2" }strlen("file2") = 5memcpy(0x166dcb0, "file2\0", 6) = 0x166dcb0readdir({ 3 }) = nilclosedir({ 3 })
通過查看上面的輸出，你或許可以了解正在發(fā)生的事情。opendir 庫函數(shù)打開一個名為 testdir 的目錄，然后調(diào)用 readdir 函數(shù)，該函數(shù)讀取目錄的內(nèi)容。最后，有一個對 closedir 函數(shù)的調(diào)用，該函數(shù)將關閉先前打開的目錄。現(xiàn)在請先忽略其他 strlen 和 memcpy 功能。
你可以看到正在調(diào)用哪些庫函數(shù)，但是本文將重點介紹由系統(tǒng)庫函數(shù)調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用。
與上述類似，要了解調(diào)用了哪些系統(tǒng)調(diào)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 */]) = 0brk(NULL) = 0x1f12000<<< truncated strace output >>>write(1, "file1 file2\n", 13file1 file2) = 13close(1) = 0munmap(0x7fd002c8d000, 4096) = 0close(2) = 0exit_group(0) = ?+++ exited with 0 +++[root@sandbox tmp]#
運行 strace 命令后屏幕上的輸出就是運行 ls 命令的系統(tǒng)調(diào)用。每個系統(tǒng)調(diào)用都為操作系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)用
- 文件管理系統(tǒng)調(diào)用
- 目錄和文件系統(tǒng)管理系統(tǒng)調(diào)用
- 其他系統(tǒng)調(diào)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 標志將輸出記錄到文件中。在 -o 標志后添加一個合適的文件名，然后再次運行命令：
[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，顯示了文件名并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(nèi)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.log114 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(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用的名稱。 - 括號內(nèi)的文本是提供給該系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)。
- 符號
=后的數(shù)字（在這種情況下為0）是execve系統(tǒng)調(diào)用的返回值。
現(xiàn)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(xiàn)在，將關注點集中在你調(diào)用的單個命令上，即 ls testdir。你知道命令 ls 使用的目錄名稱，那么為什么不在 trace.log 文件中使用 grep 查找 testdir 并查看得到的結(jié)果呢？讓我們詳細查看一下結(jié)果的每一行：
[root@sandbox tmp]# grep testdir trace.logexecve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0stat("testdir/", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=32, ...}) = 0openat(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(tǒng)調(diào)用的作用嗎？
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
你無需記住所有系統(tǒng)調(diào)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件包：
[root@sandbox tmp]# rpm -qa | grep -i man-pagesman-pages-3.53-5.el7.noarch[root@sandbox tmp]#
請記住，你需要在 man 命令和系統(tǒng)調(diào)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(jié)是為系統(tǒng)調(diào)用保留的。同樣，如果你需要有關庫函數(shù)的信息，則需要在 man 和庫函數(shù)名稱之間添加一個 3。
以下是手冊的章節(jié)編號及其包含的頁面類型：
1：可執(zhí)行的程序或 shell 命令2：系統(tǒng)調(diào)用（由內(nèi)核提供的函數(shù)）3：庫調(diào)用（在程序的庫內(nèi)的函數(shù)）4：特殊文件（通常出現(xiàn)在/dev）
使用系統(tǒng)調(diào)用名稱運行以下 man 命令以查看該系統(tǒng)調(diào)用的文檔：
man 2 execve
按照 execve 手冊頁，這將執(zhí)行在參數(shù)中傳遞的程序（在本例中為 ls）。可以為 ls 提供其他參數(shù)，例如本例中的 testdir。因此，此系統(tǒng)調(diào)用僅以 testdir 作為參數(shù)運行 ls：
execve - execute programDESCRIPTIONexecve() executes the program pointed to by filename
下一個系統(tǒng)調(diào)用，名為 stat，它使用 testdir 參數(shù)：
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(tài)的系統(tǒng)調(diào)用，請記住，Linux 中的一切都是文件，包括目錄。
接下來，openat 系統(tǒng)調(diào)用將打開 testdir。密切注意返回的 3。這是一個文件描述符，將在以后的系統(tǒng)調(diào)用中使用：
openat(AT_FDCWD, "testdir/", O_RDONLY|O_NONBLOCK|O_DIRECTORY|O_CLOEXEC) = 3
到現(xiàn)在為止一切都挺好。現(xiàn)在，打開 trace.log 文件，并轉(zhuǎn)到 openat 系統(tǒng)調(diào)用之后的行。你會看到 getdents 系統(tǒng)調(diào)用被調(diào)用，該調(diào)用完成了執(zhí)行 ls testdir 命令所需的大部分操作。現(xiàn)在，從 trace.log 文件中用 grep 獲取 getdents：
[root@sandbox tmp]# grep getdents trace.loggetdents(3, /* 4 entries */, 32768) = 112getdents(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(zhí)行的操作。注意，getdents 的參數(shù)是 3，這是來自上面 openat 系統(tǒng)調(diào)用的文件描述符。
現(xiàn)在有了目錄列表，你需要一種在終端中顯示它的方法。因此，在日志中用 grep 搜索另一個用于寫入終端的系統(tǒng)調(diào)用 write：
[root@sandbox tmp]# grep write trace.logwrite(1, "file1 file2\n", 13) = 13[root@sandbox tmp]#
在這些參數(shù)中，你可以看到將要顯示的文件名：file1 和 file2。關于第一個參數(shù)（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(tǒng)調(diào)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(xiàn)在你知道哪個系統(tǒng)調(diào)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(tǒng)調(diào)用呢？操作系統(tǒng)必須做很多內(nèi)務處理才能運行一個進程，因此，你在該日志文件中看到的很多內(nèi)容都是進程初始化和清理。閱讀整個 trace.log 文件，并嘗試了解 ls 命令是怎么工作起來的。
既然你知道了如何分析給定命令的系統(tǒng)調(diào)用，那么就可以將該知識用于其他命令來了解正在執(zhí)行哪些系統(tǒng)調(diào)用。strace 提供了許多有用的命令行標志，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 并不包含所有系統(tǒng)調(diào)用信息。但是，它有一個方便的 -v 冗余選項，可以在每個系統(tǒng)調(diào)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(chuàng)建的任何子進程進行跟蹤：
strace -f ls testdir
假設你只需要系統(tǒng)調(diào)用的名稱、運行的次數(shù)以及每個系統(tǒng)調(diào)用花費的時間百分比。你可以使用 -c 標志來獲取這些統(tǒng)計信息：
strace -c ls testdir/
假設你想專注于特定的系統(tǒng)調(diào)用，例如專注于 open 系統(tǒng)調(diào)用，而忽略其余部分。你可以使用-e 標志跟上系統(tǒng)調(diào)用的名稱：
[root@sandbox tmp]# strace -e open ls testdiropen("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libselinux.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libcap.so.2", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libacl.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libpcre.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libdl.so.2", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libattr.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/lib64/libpthread.so.0", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3file1 file2+++ exited with 0 +++[root@sandbox tmp]#
如果你想關注多個系統(tǒng)調(diào)用怎么辦？不用擔心，你同樣可以使用 -e 命令行標志，并用逗號分隔開兩個系統(tǒng)調(diào)用的名稱。例如，要查看 write 和 getdents 系統(tǒng)調(diào)用：
[root@sandbox tmp]# strace -e write,getdents ls testdirgetdents(3, /* 4 entries */, 32768) = 112getdents(3, /* 0 entries */, 32768) = 0write(1, "file1 file2\n", 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(jīng)運行并正在執(zhí)行的命令又怎么辦呢？例如，如果要跟蹤用來長時間運行進程的守護程序，該怎么辦？為此，strace 提供了一個特殊的 -p 標志，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(shù)，通常 cat 會顯示文件的內(nèi)容。如果沒有給出參數(shù)，cat 命令會在終端上等待用戶輸入文本。輸入文本后，它將重復給定的文本，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，并等待在那里（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 catroot 22443 20164 0 14:19 pts/0 00:00:00 catroot 22482 20300 0 14:20 pts/1 00:00:00 grep --color=auto cat[root@sandbox ~]#
現(xiàn)在，使用 -p 標志和 PID（在上面使用 ps 找到）對運行中的進程運行 strace。運行 strace 之后，其輸出說明了所接駁的進程的內(nèi)容及其 PID。現(xiàn)在，strace 正在跟蹤 cat 命令進行的系統(tǒng)調(diào)用。看到的第一個系統(tǒng)調(diào)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 22443strace: Process 22443 attachedread(0,
現(xiàn)在，返回到你運行 cat 命令的終端，并輸入一些文本。我出于演示目的輸入了 x0x0。注意 cat 是如何簡單地重復我輸入的內(nèi)容的。因此，x0x0 出現(xiàn)了兩次。我輸入了第一個，第二個是 cat 命令重復的輸出：
[root@sandbox tmp]# catx0x0x0x0
返回到將 strace 接駁到 cat 進程的終端。現(xiàn)在你會看到兩個額外的系統(tǒng)調(diào)用：較早的 read 系統(tǒng)調(diào)用，現(xiàn)在在終端中讀取 x0x0，另一個為 write，它將 x0x0 寫回到終端，然后是再一個新的 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 22443strace: Process 22443 attachedread(0, "x0x0\n", 65536) = 5write(1, "x0x0\n", 5) = 5read(0,
想象一下，對守護進程運行 strace 以查看其在后臺執(zhí)行的所有操作時這有多大幫助。按下 Ctrl + C 殺死 cat 命令；由于該進程不再運行，因此這也會終止你的 strace 會話。
如果要查看所有的系統(tǒng)調(diào)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 */]) = 014:24:47 brk(NULL) = 0x1f0700014:24:47 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f2530bc800014:24:47 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(tǒng)調(diào)用之間所花費的時間怎么辦？strace 有一個方便的 -r 命令，該命令顯示執(zhí)行每個系統(tǒng)調(diào)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 */]) = 00.000368 brk(NULL) = 0x19660000.000073 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fb6b11550000.000047 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(jié)
strace 實用程序非常有助于理解 Linux 上的系統(tǒng)調(diào)用。要了解它的其它命令行標志，請參考手冊頁和在線文檔。
