利用strace ltrace或truss跟踪程序的系统调用

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"。

    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。

    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=%s\n", fd, pathname);
        return 0;
}

    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