strace跟踪系统调用和信号

一、strace简介

strace 是一个用于诊断、调试和教学的 Linux 用户空间工具。它能够跟踪进程所接收的系统调用和发送的信号，帮助开发者了解程序在操作系统层面的行为。通过使用 strace，可以分析程序性能问题、定位错误以及学习程序的运行机制。

strace 的主要功能包括：

• 显示程序执行过程中发出的所有系统调用及其参数。
• 显示程序接收到的所有信号及其处理情况。
• 提供时间戳以测量系统调用的耗时。
• 支持附加到正在运行的进程。

二、系统调用与信号的基础知识

1. 系统调用

系统调用是用户空间程序与操作系统内核交互的主要方式。常见的系统调用包括：

• 文件操作：open, read, write, close
• 进程管理：fork, execve, exit
• 内存管理：mmap, brk
• 网络通信：socket, connect, sendto, recvfrom

每个系统调用都有特定的功能和参数，strace 可以捕获这些调用并显示其详细信息。

2. 信号

信号是操作系统向进程发送的通知或中断事件。常见的信号包括：

• SIGINT (2)：由 Ctrl+C 触发，通常用于终止程序。
• SIGKILL (9)：强制终止进程。
• SIGTERM (15)：请求程序正常退出。
• SIGSEGV (11)：段错误，通常表示程序尝试访问非法内存。

通过 strace，可以观察到进程接收到的信号及其处理方式。

三、strace的基本用法

1. 跟踪指定程序

要跟踪某个程序的系统调用和信号，可以使用以下命令：

strace <command>

例如，跟踪 ls 命令的系统调用：

strace ls

输出示例：

execve("/bin/ls", ["ls"], 0x7fffbf8b9c60 /* 64 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0x563d2e6d4000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
...

上述输出中，execve 表示程序启动，brk 和 access 是其他系统调用。

2. 跟踪特定系统调用

如果只想跟踪某些特定的系统调用，可以使用 -e 参数。例如，仅跟踪文件相关的系统调用：

strace -e trace=file ls

输出示例：

openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libselinux.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
...

3. 跟踪信号

使用 -e signal 参数可以跟踪信号。例如，跟踪所有信号：

strace -e signal=all sleep 5

或者只跟踪特定信号（如 SIGINT）：

strace -e signal=SIGINT sleep 5

4. 附加到正在运行的进程

使用 -p 参数可以附加到一个正在运行的进程，并开始跟踪其系统调用和信号。例如：

strace -p <PID>

要同时附加多个进程，可以多次指定 -p 参数：

strace -p <PID1> -p <PID2>

5. 输出时间信息

使用 -T 参数可以显示每个系统调用的耗时。这对于性能分析非常有用：

strace -T ls

6. 将输出保存到文件

如果需要将 strace 的输出保存到文件中，可以使用 -o 参数：

strace -o output.txt ls

四、实践步骤

示例：分析 curl 命令的网络行为

步骤 1：准备环境

确保系统已安装 strace 和 curl 工具。

步骤 2：运行命令

使用 strace 跟踪 curl 的系统调用和信号：

strace curl http://example.com

步骤 3：分析输出

在输出中查找与网络相关的系统调用，例如：

• socket: 创建套接字。
• connect: 连接到服务器。
• sendto/recvfrom: 发送和接收数据。

步骤 4：优化输出

如果只想查看网络相关的系统调用，可以使用：

strace -e trace=network curl http://example.com

五、扩展知识

1. 系统调用的性能分析

通过结合 -c 参数统计系统调用的频率和耗时：

strace -c ls

输出示例：

% time     seconds  usecs/call     calls    errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
 80.00    0.001200           0    10000           read
 20.00    0.000300           0     2000           write
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
100.00    0.001500                    12000           total

2. strace与其他工具的区别

• gdb：主要用于调试代码级问题，而 strace 专注于系统调用和信号。
• ltrace：跟踪动态链接库函数调用，而 strace 聚焦于内核交互。