Linux:使用truss、strace或ltrace诊断软件的"疑难杂症"

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简介

进程无法启动,软件运行速度突然变慢,程序的”Segment Fault”等等都是让每个Unix系统用户头痛的问题,本文通过三个实际案例演示如何使用truss、strace和ltrace这三个常用的调试工具来快速诊断软件的”疑难杂症”。

Linux:使用truss、strace或ltrace诊断软件的"疑难杂症"

Linux:使用truss、strace或ltrace诊断软件的"疑难杂症"

truss和strace用来 跟踪一个进程的系统调用或信号产生的情况,而 ltrace用来 跟踪进程调用库函数的情况。truss是早期为System V R4开发的调试程序,包括Aix、FreeBSD在内的大部分Unix系统都自带了这个工具;而strace最初是为SunOS系统编写的,ltrace最早出现在GNU/Debian Linux中。这两个工具现在也已被移植到了大部分Unix系统中,大多数Linux发行版都自带了strace和ltrace,而FreeBSD也可通过Ports安装它们。

你不仅可以从命令行调试一个新开始的程序,也可以把truss、strace或ltrace绑定到一个已有的PID上来调试一个正在运行的程序。三个调试工具的基本使用方法大体相同,下面仅介绍三者共有,而且是最常用的三个命令行参数:

-f :除了跟踪当前进程外,还跟踪其子进程。
-o file :将输出信息写到文件file中,而不是显示到标准错误输出(stderr)。
-p pid :绑定到一个由pid对应的正在运行的进程。此参数常用来调试后台进程。

使用上述三个参数基本上就可以完成大多数调试任务了,下面举几个命令行例子:

truss -o ls.truss ls -al: 跟踪ls -al的运行,将输出信息写到文件/tmp/ls.truss中。
strace -f -o vim.strace vim: 跟踪vim及其子进程的运行,将输出信息写到文件vim.strace。
ltrace -p 234: 跟踪一个pid为234的已经在运行的进程。

三个调试工具的输出结果格式也很相似,以strace为例:

brk(0)                                  = 0x8062aa8
brk(0x8063000)                          = 0x8063000
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0x92f) = 0x40016000

每一行都是一条系统调用,等号左边是系统调用的函数名及其参数,右边是该调用的返回值。 truss、strace和ltrace的工作原理大同小异,都是使用ptrace系统调用跟踪调试运行中的进程,详细原理不在本文讨论范围内,有兴趣可以参考它们的源代码。

下面举两个实例演示如何利用这三个调试工具诊断软件的”疑难杂症”:

案例一:运行clint出现Segment Fault错误

操作系统:FreeBSD-5.2.1-release

clint是一个C++静态源代码分析工具,通过Ports安装好之后,运行:

# clint foo.cpp
Segmentation fault (core dumped)

在Unix系统中遇见”Segmentation Fault”就像在MS Windows中弹出”非法操作”对话框一样令人讨厌。OK,我们用truss给clint”把把脉”:

# truss -f -o clint.truss clint
Segmentation fault (core dumped)
# tail clint.truss
  739: read(0x6,0x806f000,0x1000)               = 4096 (0x1000)
  739: fstat(6,0xbfbfe4d0)                       = 0 (0x0)
  739: fcntl(0x6,0x3,0x0)                        = 4 (0x4)
  739: fcntl(0x6,0x4,0x0)                        = 0 (0x0)
  739: close(6)                                    = 0 (0x0)
  739: stat("/root/.clint/plugins",0xbfbfe680)   ERR#2 'No such file or directory'
SIGNAL 11
SIGNAL 11
Process stopped because of:  16
process exit, rval = 139

我们用truss跟踪clint的系统调用执行情况,并把结果输出到文件clint.truss,然后用tail查看最后几行。

注意看clint执行的最后一条系统调用(倒数第五行): stat(“/root/.clint/plugins”,0xbfbfe680) ERR#2 ‘No such file or directory’,问题就出在这里:clint找不到目录”/root/.clint/plugins”,从而引发了段错误。怎样解决?很简单: mkdir -p /root/.clint/plugins,不过这次运行clint还是会”Segmentation Fault”9。继续用truss跟踪,发现clint还需要这个目录”/root/.clint/plugins/python”,建好这个目录后clint终于能够正常运行了。

案例二:vim启动速度明显变慢

操作系统:FreeBSD-5.2.1-release

vim版本为6.2.154,从命令行运行vim后,要等待近半分钟才能进入编辑界面,而且没有任何错误输出。仔细检查了.vimrc和所有的vim脚本都没有错误配置,在网上也找不到类似问题的解决办法,难不成要hacking source code?没有必要,用truss就能找到问题所在:

# truss -f -D -o vim.truss vim

这里-D参数的作用是:在每行输出前加上相对时间戳,即每执行一条系统调用所耗费的时间。我们只要关注哪些系统调用耗费的时间比较长就可以了,用less仔细查看输出文件vim.truss,很快就找到了疑点:

735: 0.000021511 socket(0x2,0x1,0x0)       = 4 (0x4)
735: 0.000014248 setsockopt(0x4,0x6,0x1,0xbfbfe3c8,0x4) = 0 (0x0)
735: 0.000013688 setsockopt(0x4,0xffff,0x8,0xbfbfe2ec,0x4) = 0 (0x0)
735: 0.000203657 connect(0x4,{ AF_INET 10.57.18.27:6000 },16) ERR#61 'Connection refused'
735: 0.000017042 close(4)          = 0 (0x0)
735: 1.009366553 nanosleep(0xbfbfe468,0xbfbfe460) = 0 (0x0)
735: 0.000019556 socket(0x2,0x1,0x0)       = 4 (0x4)
735: 0.000013409 setsockopt(0x4,0x6,0x1,0xbfbfe3c8,0x4) = 0 (0x0)
735: 0.000013130 setsockopt(0x4,0xffff,0x8,0xbfbfe2ec,0x4) = 0 (0x0)
735: 0.000272102 connect(0x4,{ AF_INET 10.57.18.27:6000 },16) ERR#61 'Connection refused'
735: 0.000015924 close(4)          = 0 (0x0)
735: 1.009338338 nanosleep(0xbfbfe468,0xbfbfe460) = 0 (0x0)

vim试图连接10.57.18.27这台主机的6000端口(第四行的connect()),连接失败后,睡眠一秒钟继续重试(第6行的nanosleep())。以上片断循环出现了十几次,每次都要耗费一秒多钟的时间,这就是vim明显变慢的原因。

可是,你肯定会纳闷:”vim怎么会无缘无故连接其它计算机的6000端口呢?”。问得好,那么请你回想一下6000是什么服务的端口?没错,就是X Server。看来vim是要把输出定向到一个远程X Server,那么Shell中肯定定义了DISPLAY变量,查看.cshrc,果然有这么一行: setenv DISPLAY ${REMOTEHOST}:0,把它注释掉,再重新登录,问题就解决了。

案例三:用调试工具掌握软件的工作原理

操作系统:Red Hat Linux 9.0

用调试工具实时跟踪软件的运行情况不仅是诊断软件”疑难杂症”的有效的手段,也可帮助我们理清软件的”脉络”,即快速掌握软件的运行流程和工作原理,不失为一种学习源代码的辅助方法。下面这个案例展现了如何使用strace通过跟踪别的软件来”触发灵感”,从而解决软件开发中的难题的。

大家都知道,在进程内打开一个文件,都有唯一一个文件描述符(fd:file descriptor)与这个文件对应。而本人在开发一个软件过程中遇到这样一个问题:已知一个fd ,如何获取这个fd所对应文件的完整路径?不管是Linux、FreeBSD或是其它Unix系统都没有提供这样的API,怎么办呢?我们换个角度思考:Unix下有没有什么软件可以获取进程打开了哪些文件?如果你经验足够丰富,很容易想到lsof,使用它既可以知道进程打开了哪些文件,也可以了解一个文件被哪个进程打开。

好,我们用一个小程序来试验一下lsof,看它是如何获取进程打开了哪些文件。

/* testlsof.c */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
        open("/tmp/foo", O_CREAT|O_RDONLY);    /* 打开文件/tmp/foo */
        sleep(1200);                                /* 睡眠1200秒,以便进行后续操作 */
        return 0;
}

将testlsof放入后台运行,其pid为3125。命令lsof -p 3125查看进程3125打开了哪些文件,我们用strace跟踪lsof的运行,输出结果保存在lsof.strace中:

# gcc testlsof.c -o testlsof
# ./testlsof &
[1] 3125
# strace -o lsof.strace lsof -p 3125

我们以”/tmp/foo”为关键字搜索输出文件lsof.strace,结果只有一条:

# grep '/tmp/foo' lsof.strace
readlink("/proc/3125/fd/3", "/tmp/foo", 4096) = 8

原来lsof巧妙的利用了/proc/nnnn/fd/目录(nnnn为pid):Linux内核会为每一个进程在/proc/建立一个以其pid为名的目录用来保存进程的相关信息,而其子目录fd保存的是该进程打开的所有文件的fd。目标离我们很近了。好,我们到/proc/3125/fd/看个究竟:

# cd /proc/3125/fd/
# ls -l
total 0
lrwx------    1 root     root           64 Nov  5 09:50 0 -> /dev/pts/0
lrwx------    1 root     root           64 Nov  5 09:50 1 -> /dev/pts/0
lrwx------    1 root     root           64 Nov  5 09:50 2 -> /dev/pts/0
lr-x------    1 root     root           64 Nov  5 09:50 3 -> /tmp/foo
# readlink /proc/3125/fd/3
/tmp/foo

答案已经很明显了:/proc/nnnn/fd/目录下的每一个fd文件都是符号链接,而此链接就指向被该进程打开的一个文件。我们只要用readlink()系统调用就可以获取某个fd对应的文件了,代码如下:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int get_pathname_from_fd(int fd, char pathname[], int n)
{
        char buf[1024];
        pid_t  pid;
        bzero(buf, 1024);
        pid = getpid();
        snprintf(buf, 1024, "/proc/%i/fd/%i", pid, fd);
        return readlink(buf, pathname, n);
}
int main(void)
{
        int fd;
        char pathname[4096];
        bzero(pathname, 4096);
        fd = open("/tmp/foo", O_CREAT|O_RDONLY);
        get_pathname_from_fd(fd, pathname, 4096);
        printf("fd=%d; pathname=%sn", fd, pathname);
        return 0;
}

【注】出于安全方面的考虑,在FreeBSD 5 之后系统默认已经不再自动装载proc文件系统,因此,要想使用truss或strace跟踪程序,你必须手工装载proc文件系统:mount -t procfs proc /proc;或者在/etc/fstab中加上一行:

proc                   /proc           procfs  rw              0       0

ltrace不需要使用procfs。

来源:http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-tsl/

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