Linux下truss、strace或ltrace的使用
参考http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-tsl/
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。
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"：
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。
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。
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 <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
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 <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
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;
}
|
【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。
- truss(1) manual page
- strace(1) manual page
- ltrace(1) manual page
- ptrace(2) manual page
- lsof(1) manual page
- Debugging with strace： http://www.devchannel.org/devtoolschannel/03/10/24/2057246.shtml
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 5 int main(int argc, char** argv) 6 { 7 printf("Linux!\n"); 8 9 return 0; 10 }
1 [root@robot ~]# vim main.c 2 [root@robot ~]# gcc main.c 3 [root@robot ~]# strace ./a.out 4 execve("./a.out", ["./a.out"], [/* 30 vars */]) = 0 5 brk(0) = 0x86ac000 6 mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb776d000 7 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) 8 open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3 9 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=116311, ...}) = 0 10 mmap2(NULL, 116311, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7750000 11 close(3) = 0 12 open("/lib/libc.so.6", O_RDONLY) = 3 13 read(3, "\177ELF\1\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0 \216X\0004\0\0\0"..., 512) = 512 14 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1855564, ...}) = 0 15 mmap2(0x572000, 1620360, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x572000 16 mmap2(0x6f8000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x185) = 0x6f8000 17 mmap2(0x6fb000, 10632, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x6fb000 18 close(3) = 0 19 mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb774f000 20 set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb774f6c0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, r ead_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0 21 mprotect(0x6f8000, 8192, PROT_READ) = 0 22 mprotect(0x56e000, 4096, PROT_READ) = 0 23 munmap(0xb7750000, 116311) = 0 24 fstat64(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 5), ...}) = 0 25 mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb776c000 26 write(1, "Linux!\n", 7Linux! 27 ) = 7 28 exit_group(0) = ? 29 [root@robot ~]#
（1）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。
1 [root@robot ~]# strace -c ./a.out 2 Linux! 3 % time seconds usecs/call calls errors syscall 4 ------ ----------- ----------- --------- --------- ---------------- 5 60.00 0.005999 857 7 mmap2 6 40.00 0.003999 3999 1 execve 7 0.00 0.000000 0 1 read 8 0.00 0.000000 0 1 write 9 0.00 0.000000 0 2 open 10 0.00 0.000000 0 2 close 11 0.00 0.000000 0 1 1 access 12 0.00 0.000000 0 1 brk 13 0.00 0.000000 0 1 munmap 14 0.00 0.000000 0 2 mprotect 15 0.00 0.000000 0 3 fstat64 16 0.00 0.000000 0 1 set_thread_area 17 ------ ----------- ----------- --------- --------- ---------------- 18 100.00 0.009998 23 1 total 19 [root@robot ~]#
（1）这里我们可以看到系统调用所执行的次数和时间。
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <string.h> 4 5 int main(int argc, char** argv) 6 { 7 while (1) {sleep(1);} 8 9 return 0; 10 } 11 [root@robot ~]# vim main.c 12 [root@robot ~]# gcc main.c 13 [root@robot ~]# ./a.out & // 后台运行 14 [1] 12531 15 [root@robot ~]# strace -p 12531 // 绑定具体进程 16 Process 12531 attached - interrupt to quit 17 restart_syscall(<... resuming interrupted call ...>) = 0 18 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 19 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 20 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 21 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 22 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 23 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 24 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 25 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 26 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 27 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 28 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 29 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 30 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 31 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 32 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 33 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 34 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 35 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 36 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 37 nanosleep({1, 0}, ^C <unfinished ...> 38 Process 12531 detached 39 [root@robot ~]#
（1）可以看到这里绑定到了具体的进程了。
1 [root@robot ~]# strace -o log.txt -p 12531 2 Process 12531 attached - interrupt to quit 3 ^CProcess 12531 detached 4 [root@robot ~]# vim log.txt 5 restart_syscall(<... resuming interrupted call ...>) = 0 6 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 7 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 8 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 9 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 10 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 11 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 12 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 13 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 14 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 15 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 16 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 17 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 18 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 19 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 20 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 21 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 22 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 23 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 24 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 25 nanosleep({1, 0}, 0xbf99c7c4) = 0 26 rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0 27 rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0 28 rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0 29 nanosleep({1, 0}, <unfinished ...>
（1）将跟踪到的信息输出到文件中。