在 Linux 上用 strace 来理解系统调用
使用 strace 跟踪用户进程和 Linux 内核之间的交互。linux
系统调用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，可以让你跟踪用户进程与 Linux 内核之间的交互。git
要了解操做系统的工做原理，首先须要了解系统调用的工做原理。操做系统的主要功能之一是为用户程序提供抽象机制。github
操做系统能够大体分为两种模式：shell
- 内核模式：操做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）来执行平常任务。系统调用在后台静默运行，与内核交互以完成工做。
系统调用与函数调用很是类似，这意味着它们都接受并处理参数而后返回值。惟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。编程
经过使用系统库（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，可是发出系统调用的机制在很大程度上取决于机器（架构）。ruby
本文经过使用一些常规命令并使用 strace 分析每一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，可是这些命令运行在其余 Linux 发行版上应该也是相同的：bash
[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 ~]#
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首先，确保在系统上安装了必需的工具。你可使用下面的 rpm 命令来验证是否安装了 strace。若是安装了，则可使用 -V 选项检查 strace 实用程序的版本号：架构
[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 ~]#
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若是没有安装，运行命令安装：函数
yum install strace
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出于本示例的目的，在 /tmp 中建立一个测试目录，并使用 touch 命令建立两个文件：工具
[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]#
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（我使用 /tmp 目录是由于每一个人均可以访问它，可是你能够根据须要选择另外一个目录。）
在 testdir 目录下使用 ls 命令验证该文件已经建立：
[root@sandbox tmp]# ls testdir/
file1 file2
[root@sandbox tmp]#
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你可能天天都在使用 ls 命令，而没有意识到系统调用在其下面发挥的做用。抽象地来讲，该命令的工做方式以下：
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做的系统调用。
若是你想知道从 glibc 库中调用了哪些函数，请使用 ltrace 命令，而后跟上常规的 ls testdir/命令：
ltrace ls testdir/
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若是没有安装 ltrace，键入以下命令安装：
yum install ltrace
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大量的输出会被堆到屏幕上；没必要担忧，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：
opendir("testdir/") = { 3 }
readdir({ 3 }) = { 101879119, "." }
readdir({ 3 }) = { 134, ".." }
readdir({ 3 }) = { 101879120, "file1" }
strlen("file1") = 5
memcpy(0x1665be0, "file1\0", 6) = 0x1665be0
readdir({ 3 }) = { 101879122, "file2" }
strlen("file2") = 5
memcpy(0x166dcb0, "file2\0", 6) = 0x166dcb0
readdir({ 3 }) = nil
closedir({ 3 })
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经过查看上面的输出，你或许能够了解正在发生的事情。opendir 库函数打开一个名为 testdir 的目录，而后调用 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。如今请先忽略其余 strlen 和 memcpy 功能。
你能够看到正在调用哪些库函数，可是本文将重点介绍由系统库函数调用的系统调用。
与上述相似，要了解调用了哪些系统调用，只需将 strace 放在 ls testdir 命令以前，以下所示。 再次，一堆乱码丢到了你的屏幕上，你能够按照如下步骤进行操做：
[root@sandbox tmp]# strace ls testdir/
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
brk(NULL) = 0x1f12000
<<< truncated strace output >>>
write(1, "file1 file2\n", 13file1 file2
) = 13
close(1) = 0
munmap(0x7fd002c8d000, 4096) = 0
close(2) = 0
exit_group(0) = ?
+++ exited with 0 +++
[root@sandbox tmp]#
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运行 strace 命令后屏幕上的输出就是运行 ls 命令的系统调用。每一个系统调用都为操做系统提供了特定的用途，能够将它们大体分为如下几个部分：
- 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
- 其余系统调用
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，而后再次运行命令：
[root@sandbox tmp]# strace -o trace.log ls testdir/
file1 file2
[root@sandbox tmp]#
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此次，没有任何输出干扰屏幕显示，ls 命令如预期般工做，显示了文件名并将全部输出记录到文件 trace.log 中。仅仅是一个简单的 ls 命令，该文件就有近 100 行内容：
[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]#
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让咱们看一下这个示例的 trace.log 文件的第一行:
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
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- 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（在这种状况下为0）是execve系统调用的返回值。
如今的输出彷佛还不太吓人，对吧。你能够应用相同的逻辑来理解其余行。
如今，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，那么为何不在 trace.log 文件中使用 grep 查找 testdir 并查看获得的结果呢？让咱们详细查看一下结果的每一行：
[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]#
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回顾一下上面对 execve 的分析，你能说一下这个系统调用的做用吗？
execve("/usr/bin/ls", ["ls", "testdir/"], [/* 40 vars */]) = 0
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你无需记住全部系统调用或它们所作的事情，由于你能够在须要时参考文档。手册页能够解救你！在运行 man 命令以前，请确保已安装如下软件包：
[root@sandbox tmp]# rpm -qa | grep -i man-pages
man-pages-3.53-5.el7.noarch
[root@sandbox tmp]#
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请记住，你须要在 man 命令和系统调用名称之间添加 2。若是使用 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。一样，若是你须要有关库函数的信息，则须要在 man 和库函数名称之间添加一个 3。
如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（一般出如今/dev）
使用系统调用名称运行如下 man 命令以查看该系统调用的文档：
man 2 execve
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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）。能够为 ls 提供其余参数，例如本例中的 testdir。所以，此系统调用仅以 testdir 做为参数运行 ls：
execve - execute program
DESCRIPTION
execve() executes the program pointed to by filename
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下一个系统调用，名为 stat，它使用 testdir 参数：
stat("testdir/", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=32, ...}) = 0
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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，将在之后的系统调用中使用：
openat(AT_FDCWD, "testdir/", O_RDONLY|O_NONBLOCK|O_DIRECTORY|O_CLOEXEC) = 3
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到如今为止一切都挺好。如今，打开 trace.log 文件，并转到 openat 系统调用以后的行。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做。如今，从 trace.log 文件中用 grep 获取 getdents：
[root@sandbox tmp]# grep getdents trace.log
getdents(3, /* 4 entries */, 32768) = 112
getdents(3, /* 0 entries */, 32768) = 0
[root@sandbox tmp]#
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getdents 的手册页将其描述为 “获取目录项”，这就是你要执行的操做。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。
如今有了目录列表，你须要一种在终端中显示它的方法。所以，在日志中用 grep 搜索另外一个用于写入终端的系统调用 write：
[root@sandbox tmp]# grep write trace.log
write(1, "file1 file2\n", 13) = 13
[root@sandbox tmp]#
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在这些参数中，你能够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，默认状况下会为其打开三个文件描述符。如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
所以，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。
如今你知道哪一个系统调用完成了 ls testdir/ 命令的大部分工做。可是在 trace.log 文件中其它的 100 多个系统调用呢？操做系统必须作不少内务处理才能运行一个进程，所以，你在该日志文件中看到的不少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 命令是怎么工做起来的。
既然你知道了如何分析给定命令的系统调用，那么就能够将该知识用于其余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。
默认状况下，strace 并不包含全部系统调用信息。可是，它有一个方便的 -v 冗余选项，能够在每一个系统调用中提供附加信息：
strace -v ls testdir
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在运行 strace 命令时始终使用 -f 选项是一种好的做法。它容许 strace 对当前正在跟踪的进程建立的任何子进程进行跟踪：
strace -f ls testdir
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假设你只须要系统调用的名称、运行的次数以及每一个系统调用花费的时间百分比。你可使用 -c 标志来获取这些统计信息：
strace -c ls testdir/
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假设你想专一于特定的系统调用，例如专一于 open 系统调用，而忽略其他部分。你可使用-e 标志跟上系统调用的名称：
[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]#
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若是你想关注多个系统调用怎么办？不用担忧，你一样可使用 -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：
[root@sandbox tmp]# strace -e write,getdents ls testdir
getdents(3, /* 4 entries */, 32768) = 112
getdents(3, /* 0 entries */, 32768) = 0
write(1, "file1 file2\n", 13file1 file2
) = 13
+++ exited with 0 +++
[root@sandbox tmp]#
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到目前为止，这些示例是明确地运行的命令进行了跟踪。可是，要跟踪已经运行并正在执行的命令又怎么办呢？例如，若是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，你能够向其提供进程 ID。
咱们的示例不在守护程序上运行 strace，而是以 cat 命令为例，若是你将文件名做为参数，一般 cat 会显示文件的内容。若是没有给出参数，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 仍在运行且还没有退出）：
[root@sandbox tmp]# cat
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在另外一个终端上，使用 ps 命令找到进程标识符（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 ~]#
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如今，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 以后，其输出说明了所接驳的进程的内容及其 PID。如今，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：
[root@sandbox ~]# strace -p 22443
strace: Process 22443 attached
read(0,
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如今，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。所以，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：
[root@sandbox tmp]# cat
x0x0
x0x0
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返回到将 strace 接驳到 cat 进程的终端。如今你会看到两个额外的系统调用：较早的 read 系统调用，如今在终端中读取 x0x0，另外一个为 write，它将 x0x0 写回到终端，而后是再一个新的 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：
[root@sandbox ~]# strace -p 22443
strace: Process 22443 attached
read(0, "x0x0\n", 65536) = 5
write(1, "x0x0\n", 5) = 5
read(0,
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想象一下，对守护进程运行 strace 以查看其在后台执行的全部操做时这有多大帮助。按下 Ctrl + C 杀死 cat 命令；因为该进程再也不运行，所以这也会终止你的 strace 会话。
若是要查看全部的系统调用的时间戳，只需将 -t 选项与 strace 一块儿使用：
[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
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若是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，该命令显示执行每一个系统调用所花费的时间。很是有用，不是吗？
[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
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总结
strace 实用程序很是有助于理解 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。
via: opensource.com/article/19/…
做者：Gaurav Kamathe 选题：lujun9972 译者：wxy 校对：wxy
- 1. 【转载】在 Linux 上用 strace 来理解系统调用
- 2. 使用linux的strace来调试程序系统调用
- 3. 如何在Linux上使用strace追踪进程的系统调用？
- 4. 应用调试之使用strace命令跟踪系统调用
- 5. Linux 中用 strace 追踪系统调用和信号值
- 6. Linux系统调用
- 7. 应用调试strace
- 8. Linux系统调用原理
- 9. strace linux 下程序的系统调用和信号调用跟踪工具
- 10. 使用strace命令跟踪系统调用
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