Linux 用 strace调试程序

• 在理想世界里，每当 一个 程序不能正常执行 一个功能时 ，它就会给出一个有用的错误提示，告诉你在足够的改正错误的线索 。 但遗憾的是，我们不是生活在理想世界里，起码不总是生活在理想世 界里。有时候一个程序出现了问题，你无法找到原因。
  
  这就是调试程序出现的原因。strace是一个必不可少的调试工具 ，strace用来监视 系统调用。你不仅可以调试一个新开始的程序 ， 也可以调试一个已经在运行的程序（把strace绑定到一个已有 的PID上面）。
  
  首先让我们看一个真实的例子：
  
  [BOLD]启动KDE时出现问题[/BOLD]
  
  前一段时间，我在启动KDE的时候出了问题，KDE的错误信息无法 给我任何有帮助的线索。
  
  代码：
  

  _KDE_IceTransSocketCreateListener: failed to bind listener _KDE_IceTransSocketUNIXCreateListener: ...SocketCreateListener() failed _KDE_IceTransMakeAllCOTSServerListeners: failed to create listener for local Cannot establish any listening sockets DCOPServer self-test failed.

  
  
  对我来说这个错误信息没有太多意义，只是一个对KDE来说至关重要 的负责进程间通信的程序无法启动。我还可以知道这个错误和ICE协 议 （Inter Client Exchange）有关，除此之外，我不知道什么是KDE启动出错 的原因。
  
  我决定采用strace看一下在启动dcopserver时到底程 序做了什么：
  
  代码：
  

  strace -f -F -o ~/dcop-strace.txt dcopserver

  
  
  这里 -f -F选项告诉strace同时跟踪fork和vfork出来的进程 ，-o选项把所有strace输出写到~/dcop- strace.txt里面，dcopserver是要启动和调试的程序。
  
  再次出现错误之后，我检查了错误输出 文件dcop-strace.txt， 文件里有很多系统调用的记录。在程序运行出错前的有关记录如下：
  
  代码：
  

  27207 mkdir("/tmp/.ICE-unix", 0777) = -1 EEXIST (File exists) 27207 lstat64("/tmp/.ICE-unix", {st_mode=S_IFDIR|S_ISVTX|0755, st_size=4096, ...}) = 0 27207 unlink("/tmp/.ICE-unix/dcop2720 7-1066844596") = -1 ENOENT (No such file or directory) 27207 bind(3, {sin_family=AF_UNIX, path="/tmp/.ICE-unix/dcop27207-1066844596"}, 38) = -1 EACCES (Permission denied)  27207 write(2, "_KDE_IceTrans", 13) = 13 27207 write(2, "SocketCreateListener: failed to "..., 46) = 46 27207 close(3) = 0 27207 write(2, "_KDE_IceTrans", 13) = 13 27207 write(2, "SocketUNIXCreateListener: ...Soc"..., 59) = 59 27207 umask(0) = 0 27207 write(2, "_KDE_IceTrans", 13) = 13 27207 write(2, "MakeAllCOTSServerListeners: fail"..., 64) = 64 27207 write(2, "Cannot establish any listening s"..., 39) = 39

  
  
  其中第一行显示程序试图创建/tmp/.ICE-unix目录 ，权限为0777，这个操作因为目录已经存在而失败了 。第二个 系统调用（lstat64）检查了目录状态，并显示这个目录的权限是0755，这里出现了第一个程 序运行错误的线索：程序试图创建属性为 0777的目录 ，但是已经存在了一个属性为 0755的目录。第三个系统调用（unlink）试图删除一个文件 ，但是这个文件并不存 在。这并不奇怪，因为这个操作只是试图删掉可 能存在的老文件。
  
  但 是，第四行确认了错误所在。他试图绑定到/tmp/.ICE -unix/dcop27207-1066844596 ，但 是出现了拒绝访问错误。. ICE_unix目录的用户和组都是root，并且只有所有者具有 写权限。一个非root用户无法在这个目录下面建 立文件 ，如果把目录属性改成0777，则前面的操作有可能可以执行，而这正是第一步错误出现时进行过的操 作。
  
  所以我运行了chmod 0777 /tmp/.ICE-unix之后KDE就可以正常启动了 ，问题解决了，用strace进行跟踪调 试只需要花很短的几分钟时 间跟踪程序运行，然后检查并分析输出文件。
  
  说 明：运行chmod 0777只是一个测试，一般不要把一个目录设置成所有用户可读写 ，同时不设置粘滞位(sticky bit)。给目录设置粘滞位可以阻止一个用户随意删除可写目录下面 其他人的文件。一般你会发现/tmp目录因为这个原因设置了粘滞位 。 KDE可以正常启动之后，运行chmod +t /tmp/.ICE-unix给.ICE_unix设置粘滞位。
  
  [BOLD]解决库依赖问题[/BOLD]
  
  starce 的另一个用处是解决和动态库相关的问题。当对一个可执行文件运行l dd时，它会告诉你程序使用的动态库和找到动态库的位 置 。但是如果你正在使用一个比较老的glibc版本（2.2或更早），你可能会有一个有bug的ldd程序，它可能会报告在一个目录下 发 现一个动态库，但是真正运行程序时动态连接程序（/lib/ld-linux.so.2）却可能到另外一个目录去找动态连接库。这通常因为/etc/ld .so.conf 和 /etc/ld.so.cache文件不一致，或者/etc /ld.so.cache被破坏。在glibc 2.3.2版本上这个错误不会出现，可能ld-linux的这个bug已经被解决了。
  
  尽管这样，ldd并不能把所有程序依赖的动态库列出来，系统调用dlopen可以在需要的时候自动调入需要的动态库  ，而这些库可能不会被ldd列出来。作为glibc的一部分的NS S（Name Server Switch）库就是一个典型的例子，NSS的一个作用就是告诉应 用程序到哪里去寻找系统帐号数据库。应用程序不会直接连接到NSS 库，glibc 则会通过dlopen自动调入NSS库。如果这样的库偶然丢失 ，你不会被告知存在库依赖问题，但这样的程序就无法通过用户名解析 得到 用户ID了。让我们看一个例子：
  
  whoami程序会给出你自己的用户名，这个程序在一些需要知道运 行程序的真正用户的脚本程序里面非常有用，whoami的一个示例 输 出如下：
  代码：
  

  # whoami root

  
  
  假设因为某种原因在升级glibc的过程中负责用户名和用户ID转 换的库NSS丢失，我们可以通过把nss库改名来模拟这个环境：
  代码：
  

  # mv /lib/libnss_files.so.2 /lib/libnss_files.so.2.backup  # whoami whoami: cannot find username for UID 0

  
  
  这里你可以看到，运行whoami时出现了错误，ldd程序的输出 不会提供有用的帮助：
  代码：
  

  # ldd /usr/bin/whoami libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0x4001f000) /lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)

  
  
  你只会看到whoami依赖Libc.so.6和ld -linux.so.2，它没有给出运行whoami所必须的其他库。这里时用 strace 跟踪whoami时的输出：
  代码：
  

  strace -o whoami-strace.txt whoami open("/lib/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) open("/lib/i686/mmx/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) stat64("/lib/i686/mmx", 0xbffff190) = -1 ENOENT (No such file or directory)  open("/lib/i686/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) stat64("/lib/i686", 0xbffff190) = -1 ENOENT (No such file or directory) open("/lib/mmx/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) stat64("/lib/mmx", 0xbffff190) = -1 ENOENT (No such file or directory)  open("/lib/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) stat64("/lib", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=2352, ...}) = 0 open("/usr/lib/i686/mmx/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory) stat64("/usr/lib/i686/mmx", 0xbffff190) = -1 ENOENT (No such file or directory)  open("/usr/lib/i686/libnss_files.so.2", O_RDONLY) = -1 ENOENT (No such file or directory)

  
  
  你可以发现在不同目录下面查找libnss.so.2的尝试，但是都失败了。如果没有strace这样的工具，很难发现这个错误 是由于 缺少动态库造成的。现在只需要找到libnss.so.2并把它放回到正确的位置就可 以了。
  
  [BOLD]限制strace只跟踪特定的系统调用[/BOLD]
  
  如果你已经知道你要找什么，你可以让strace只跟踪一些类型的 系统调用。例如，你需要看看在configure脚本里面执行的程 序， 你需要监视的系统调用就是execve。让strace只记录 execve的调用用这个命令：
  
  代码：
  

  strace -f -o configure-strace.txt -e execve ./configure

  
  
  部分输出结果为：
  代码：
  

  2720 execve("/usr/bin/expr", ["expr", "a", ":", "(a)"], [/* 31 vars */]) = 0 2725 execve("/bin/basename", ["basename", "./configure"], [/* 31 vars */]) = 0  2726 execve("/bin/chmod", ["chmod", "+x", "conftest.sh"], [/* 31 vars */]) = 0 2729 execve("/bin/rm", ["rm", "-f", "conftest.sh"], [/* 31 vars */]) = 0 2731 execve("/usr/bin/expr", ["expr", "99", "+", "1"], [/* 31 vars */]) = 0 2736 execve("/bin/ln", ["ln", "-s", "conf2693.file", "conf2693"], [/* 31 vars */]) = 0

  
  
  你已经看到了，strace不仅可以被程序员使用，普通系统管理员和 用户也可以使用strace来调试系统错误。必须承认 ，strace 的输出不总是容易理解，但是很多输出对大多数人来说是不重要的。你会慢慢学会从大量输 出中找到你可能需要的信息，像权限错误，文件未找到之类的 ， 那时strace就会成为一个有力的工具了。

strace 命令是一种强大的工具，它能够显示所有由用户空间程序发出的系统调

用。
strace 显示这些调用的参数并返回符号形式的值。strace 从内核接收信息，而且不需要以任何特殊的方式来构建内核。
下面记录几个常用 option . 
1 -f -F选项告诉strace同时跟踪fork和vfork出来的进程
2 -o xxx.txt 输出到某个文件。
3 -e execve 只记录 execve 这类系统调用 
—————————————————
进程无法启动，软件运行速度突然变慢，程序的"SegmentFault"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/DebianLinux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) = 0×8062aa8
brk(0×8063000) = 0×8063000
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0×92f) = 0×40016000

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(0×6,0×806f000,0×1000) = 4096 (0×1000)
739: fstat(6,0xbfbfe4d0) = 0 (0×0)
739: fcntl(0×6,0×3,0×0) = 4 (0×4)
739: fcntl(0×6,0×4,0×0) = 0 (0×0)
739: close(6) = 0 (0×0)
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(0×2,0×1,0×0) = 4 (0×4)
735: 0.000014248 setsockopt(0×4,0×6,0×1,0xbfbfe3c8,0×4) = 0 (0×0)
735: 0.000013688 setsockopt(0×4,0xffff,0×8,0xbfbfe2ec,0×4) = 0 (0×0)
735: 0.000203657 connect(0×4,{ AF_INET 10.57.18.27:6000 },16) ERR#61 'Connection refused'
735: 0.000017042 close(4) = 0 (0×0)
735: 1.009366553 nanosleep(0xbfbfe468,0xbfbfe460) = 0 (0×0) 
735: 0.000019556 socket(0×2,0×1,0×0) = 4 (0×4)
735: 0.000013409 setsockopt(0×4,0×6,0×1,0xbfbfe3c8,0×4) = 0 (0×0)
735: 0.000013130 setsockopt(0×4,0xffff,0×8,0xbfbfe2ec,0×4) = 0 (0×0)
735: 0.000272102 connect(0×4,{ AF_INET 10.57.18.27:6000 },16) ERR#61 'Connection refused'
735: 0.000015924 close(4) = 0 (0×0)
735: 1.009338338 nanosleep(0xbfbfe468,0xbfbfe460) = 0 (0×0)

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。lsof： 显示进程打开的文件。

/* 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;
}

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

Shell的调试：

在shell片段里：

set -x   开启debug

    （your debug shell）

set +x  关闭debug

ref:http://www.net527.cn/a/caozuoxitong/Linux/2010/0322/8224.html