怎么在Linux上用strace來(lái)理解系統(tǒng)調(diào)用

本篇內(nèi)容介紹了“怎么在Linux上用strace來(lái)理解系統(tǒng)調(diào)用”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

使用 strace 跟蹤用戶進(jìn)程和 Linux 內(nèi)核之間的交互。

系統(tǒng)調(diào)用system call是程序從內(nèi)核請(qǐng)求服務(wù)的一種編程方式，而 strace 是一個(gè)功能強(qiáng)大的工具，可讓你跟蹤用戶進(jìn)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(jī)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(qiáng)大的特權(quán)模式

• 用戶模式：大多數(shù)用戶應(yīng)用程序運(yùn)行的地方    用戶大多使用命令行實(shí)用程序和圖形用戶界面（GUI）來(lái)執(zhí)行日常任務(wù)。系統(tǒng)調(diào)用在后臺(tái)靜默運(yùn)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(jìn)入內(nèi)核，而函數(shù)調(diào)用不進(jìn)入。從用戶空間切換到內(nèi)核空間是使用特殊的 trap 機(jī)制完成的。

通過(guò)使用系統(tǒng)庫(kù)（在 Linux 系統(tǒng)上又稱為 glibc），大部分系統(tǒng)調(diào)用對(duì)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(jī)制在很大程度上取決于機(jī)器（架構(gòu)）。

本文通過(guò)使用一些常規(guī)命令并使用 strace 分析每個(gè)命令進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)探索一些實(shí)際示例。這些示例使用 Red Hat Enterprise Linux，但是這些命令運(yùn)行在其他 Linux 發(fā)行版上應(yīng)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(lái)驗(yàn)證是否安裝了 strace。如果安裝了，則可以使用 -V 選項(xiàng)檢查 strace 實(shí)用程序的版本號(hào)：

[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(méi)有安裝，運(yùn)行命令安裝：

yum install strace

出于本示例的目的，在 /tmp 中創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試目錄，并使用 touch 命令創(chuàng)建兩個(gè)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?yàn)槊總€(gè)人都可以訪問(wèn)它，但是你可以根據(jù)需要選擇另一個(gè)目錄。）

在 testdir 目錄下使用 ls 命令驗(yàn)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(méi)有意識(shí)到系統(tǒng)調(diào)用在其下面發(fā)揮的作用。抽象地來(lái)說(shuō)，該命令的工作方式如下：

命令行工具 -> 從系統(tǒng)庫(kù)（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(kù)（即 glibc）調(diào)用函數(shù)。這些庫(kù)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(kù)中調(diào)用了哪些函數(shù)，請(qǐng)使用 ltrace 命令，然后跟上常規(guī)的 ls testdir/命令：

ltrace ls testdir/

如果沒(méi)有安裝 ltrace，鍵入如下命令安裝：

yum install ltrace

大量的輸出會(huì)被堆到屏幕上；不必?fù)?dān)心，只需繼續(xù)就行。ltrace 命令輸出中與該示例有關(guān)的一些重要庫(kù)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(guò)查看上面的輸出，你或許可以了解正在發(fā)生的事情。opendir 庫(kù)函數(shù)打開一個(gè)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(gè)對(duì) closedir 函數(shù)的調(diào)用，該函數(shù)將關(guān)閉先前打開的目錄。現(xiàn)在請(qǐng)先忽略其他 strlen 和 memcpy 功能。

你可以看到正在調(diào)用哪些庫(kù)函數(shù)，但是本文將重點(diǎn)介紹由系統(tǒng)庫(kù)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(jìn)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(yùn)行 strace 命令后屏幕上的輸出就是運(yùn)行 ls 命令的系統(tǒng)調(diào)用。每個(gè)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(gè)部分：

• 進(jìn)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(jiǎn)單的方法是使用 strace 方便的 -o 標(biāo)志將輸出記錄到文件中。在 -o 標(biāo)志后添加一個(gè)合適的文件名，然后再次運(yùn)行命令：

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

這次，沒(méi)有任何輸出干擾屏幕顯示，ls 命令如預(yù)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(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(gè)單詞 execve 是正在執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用的名稱。

• 括號(hào)內(nèi)的文本是提供給該系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)。

• 符號(hào) = 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(duì)吧。你可以應(yīng)用相同的邏輯來(lái)理解其他行。

現(xiàn)在，將關(guān)注點(diǎn)集中在你調(diào)用的單個(gè)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?cè)敿?xì)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(duì) execve 的分析，你能說(shuō)一下這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的作用嗎？

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

你無(wú)需記住所有系統(tǒng)調(diào)用或它們所做的事情，因?yàn)槟憧梢栽谛枰獣r(shí)參考文檔。手冊(cè)頁(yè)可以解救你！在運(yùn)行 man 命令之前，請(qǐng)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(qǐng)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(cè)頁(yè)，你會(huì)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(guān)庫(kù)函數(shù)的信息，則需要在 man 和庫(kù)函數(shù)名稱之間添加一個(gè) 3。

以下是手冊(cè)的章節(jié)編號(hào)及其包含的頁(yè)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(kù)調(diào)用（在程序的庫(kù)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(yùn)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(cè)頁(yè)，這將執(zhí)行在參數(shù)中傳遞的程序（在本例中為 ls）?？梢詾?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(yùn)行 ls：

execve - execute program DESCRIPTION       execve()  executes  the  program  pointed to by filename

下一個(gè)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(wèn)該文檔。stat 是獲取文件狀態(tài)的系統(tǒng)調(diào)用，請(qǐng)記住，Linux 中的一切都是文件，包括目錄。

接下來(lái)，openat 系統(tǒng)調(diào)用將打開 testdir。密切注意返回的 3。這是一個(gè)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?，F(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(huì)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?，F(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(cè)頁(yè)將其描述為 “獲取目錄項(xiàng)”，這就是你要執(zhí)行的操作。注意，getdents 的參數(shù)是 3，這是來(lái)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(gè)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(guān)于第一個(gè)參數(shù)（1），請(qǐng)記住在 Linux 中，當(dāng)運(yùn)行任何進(jìn)程時(shí)，默認(rèn)情況下會(huì)為其打開三個(gè)文件描述符。以下是默認(rèn)的文件描述符：

• 0：標(biāo)準(zhǔn)輸入

• 1：標(biāo)準(zhǔn)輸出

• 2：標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤

因此，write 系統(tǒng)調(diào)用將在標(biāo)準(zhǔn)顯示（就是這個(gè)終端，由 1 所標(biāo)識(shí)的）上顯示 file1 和 file2。

現(xiàn)在你知道哪個(gè)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(gè)系統(tǒng)調(diào)用呢？操作系統(tǒng)必須做很多內(nèi)務(wù)處理才能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，因此，你在該日志文件中看到的很多內(nèi)容都是進(jìn)程初始化和清理。閱讀整個(gè) trace.log 文件，并嘗試了解 ls 命令是怎么工作起來(lái)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(shí)用于其他命令來(lái)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(biāo)志，使你更容易使用，下面將對(duì)其中一些進(jìn)行描述。

默認(rèn)情況下，strace 并不包含所有系統(tǒng)調(diào)用信息。但是，它有一個(gè)方便的 -v 冗余選項(xiàng)，可以在每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中提供附加信息：

strace -v ls testdir

在運(yùn)行 strace 命令時(shí)始終使用 -f 選項(xiàng)是一種好的作法。它允許 strace 對(duì)當(dāng)前正在跟蹤的進(jìn)程創(chuàng)建的任何子進(jìn)程進(jìn)行跟蹤：

strace -f ls testdir

假設(shè)你只需要系統(tǒng)調(diào)用的名稱、運(yùn)行的次數(shù)以及每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用花費(fèi)的時(shí)間百分比。你可以使用 -c 標(biāo)志來(lái)獲取這些統(tǒng)計(jì)信息：

strace -c ls testdir/

假設(shè)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(biāo)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(guān)注多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用怎么辦？不用擔(dān)心，你同樣可以使用 -e 命令行標(biāo)志，并用逗號(hào)分隔開兩個(gè)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(yùn)行的命令進(jìn)行了跟蹤。但是，要跟蹤已經(jīng)運(yùn)行并正在執(zhí)行的命令又怎么辦呢？例如，如果要跟蹤用來(lái)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行進(jìn)程的守護(hù)程序，該怎么辦？為此，strace 提供了一個(gè)特殊的 -p 標(biāo)志，你可以向其提供進(jìn)程 ID。

我們的示例不在守護(hù)程序上運(yùn)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(huì)顯示文件的內(nèi)容。如果沒(méi)有給出參數(shù)，cat 命令會(huì)在終端上等待用戶輸入文本。輸入文本后，它將重復(fù)給定的文本，直到用戶按下 Ctrl + C 退出為止。

從一個(gè)終端運(yùn)行 cat 命令；它會(huì)向你顯示一個(gè)提示，并等待在那里（記住 cat 仍在運(yùn)行且尚未退出）：

[root@sandbox tmp]# cat

在另一個(gè)終端上，使用 ps 命令找到進(jìn)程標(biāo)識(shí)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(biāo)志和 PID（在上面使用 ps 找到）對(duì)運(yùn)行中的進(jìn)程運(yùn)行 strace。運(yùn)行 strace 之后，其輸出說(shuō)明了所接駁的進(jìn)程的內(nèi)容及其 PID。現(xiàn)在，strace 正在跟蹤 cat 命令進(jìn)行的系統(tǒng)調(diào)用?？吹降牡谝粋€(gè)系統(tǒng)調(diào)用是 read，它正在等待文件描述符 0（標(biāo)準(zhǔn)輸入，這是運(yùn)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(yùn)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(jiǎn)單地重復(fù)我輸入的內(nèi)容的。因此，x0x0 出現(xiàn)了兩次。我輸入了第一個(gè)，第二個(gè)是 cat 命令重復(fù)的輸出：

[root@sandbox tmp]# catx0x0x0x0

返回到將 strace 接駁到 cat 進(jìn)程的終端。現(xiàn)在你會(huì)看到兩個(gè)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(gè)為 write，它將 x0x0 寫回到終端，然后是再一個(gè)新的 read，正在等待從終端讀取。請(qǐng)注意，標(biāo)準(zhǔn)輸入（0）和標(biāo)準(zhǔn)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(duì)守護(hù)進(jìn)程運(yùn)行 strace 以查看其在后臺(tái)執(zhí)行的所有操作時(shí)這有多大幫助。按下 Ctrl + C 殺死 cat 命令；由于該進(jìn)程不再運(yùn)行，因此這也會(huì)終止你的 strace 會(huì)話。

如果要查看所有的系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)間戳，只需將 -t 選項(xiàng)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(fèi)的時(shí)間怎么辦？strace 有一個(gè)方便的 -r 命令，該命令顯示執(zhí)行每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用所花費(fèi)的時(shí)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

“怎么在Linux上用strace來(lái)理解系統(tǒng)調(diào)用”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！