Linux命令之strace指令详解
Linux操作系统以其稳定性和强大的功能而广受欢迎。在Linux系统中，有许多强大的命令行工具，其中之一便是strace。strace是一个诊断和调试工具，它能够跟踪系统调用和信号。对于初学者来说，strace是理解程序与操作系统交互的重要工具。本文将详细介绍strace的基本用法和一些**特性，帮助初学者快速掌握这一指令。
什么是系统调用？
在深入了解strace之前，首先需要理解什么是系统调用。系统调用是程序与操作系统内核交互的接口。当程序需要操作系统提供的服务时，如文件操作、网络通信、进程管理等，就会通过系统调用请求这些服务。系统调用是操作系统功能的基础，是程序运行时与硬件隔离的桥梁。
strace的作用
strace的主要作用是监控和分析程序执行过程中的系统调用和接收到的信号。通过strace，用户可以了解程序在运行时请求了哪些系统调用，这些调用的参数是什么，以及操作系统对这些调用的响应。这对于调试程序、分析程序行为、优化性能等方面都非常有用。strace能够追踪并记录一个Linux进程执行时所产生的所有系统调用、接收到的信号以及它们所执行的时间等信息。这对于分析程序行为、调试程序错误以及性能优化等方面非常有帮助。
strace常用参数
-p：跟踪指定的进程。-f：跟踪由fork 子进程系统调用。-F：尝试跟踪vfork 子进程系统调吸入，与-f 同时出现时, vfork 不被跟踪。-o filename：默认strace 将结果输出到stdout。通过-o 可以将输出写入到filename 文件中。-ff：常与-o 选项一起使用，不同进程(子进程)产生的系统调用输出到filename.PID 文件。-r：打印每一个系统调用的相对时间。-t：在输出中的每一行前加上时间信息。-tt 时间确定到微秒级。还可以使用-ttt 打印相对时间。-v：输出所有系统调用。默认情况下，一些频繁调用的系统调用不会输出。-s：指定每一行输出字符串的长度,默认是32。文件名一直全部输出。-c：统计每种系统调用所执行的时间，调用次数，出错次数。-d：输出strace 关于标准错误的调试信息。-h：输出简要的帮助信息。-i：输出系统调用的入口指针。-q：禁止输出关于脱离的消息。-tt：在输出中的每一行前加上时间信息,微秒级。-T：显示每一调用所耗的时间。-V ：输出strace 的版本信息。-x：以十六进制形式输出非标准字符串。-xx：所有字符串以十六进制形式输出。-u：以username的UID和GID执行被跟踪的命令-e expr：指定一个表达式,用来控制如何跟踪.格式：[qualifier=][!]value1[,value2] qualifier只能是 trace,abbrev,verbose,raw,signal,read,write其中之一.value是用来限定的符号或数字.默认的 qualifier是 trace.感叹号是否定符号.例如:-eopen等价于 -e trace=open,表示只跟踪open调用.而-etrace!=open 表示跟踪除了open以外的其他调用.有两个特殊的符号 all 和 none. 注意有些shell使用!来执行历史记录里的命令,所以要使用\\.-e trace=set 只跟踪指定的系统 调用.例如:-e trace=open,close,rean,write表示只跟踪这四个系统调用.默认的为set=all-e trace=file 只跟踪有关文件操作的系统调用-e trace=process 只跟踪有关进程控制的系统调用-e trace=network 跟踪与网络有关的所有系统调用-e strace=signal 跟踪所有与系统信号有关的 系统调用-e trace=ipc 跟踪所有与进程通讯有关的系统调用-e abbrev=set 设定strace输出的系统调用的结果集。-v 等与 abbrev=none.默认为abbrev=all-e raw=set 将指定的系统调用的参数以十六进制显示-e signal=set 指定跟踪的系统信号.默认为all。如 signal=!SIGIO(或者signal=!io),表示不跟踪SIGIO信号-e read=set 输出从指定文件中读出 的数据。例如: -e read=3,5-e write=set 输出写入到指定文件中的数据
使用示例
1、查看程序所有系统调用：
strace ./your_program
这将追踪并显示./your_program程序执行时的所有系统调用。
2、统计特定系统调用的次数和耗时：
strace -c -e open,close ./your_program
这将只追踪open和close系统调用，并统计它们的调用次数、耗时和出错次数。
3、将输出重定向到文件：
strace -o output.txt ./your_program
这将把strace的输出重定向到output.txt文件中。
4、追踪指定进程的系统调用：
假设要追踪的进程ID为1234，可以使用以下命令：
strace -p 1234
5、跟踪特定系统调用
如果要跟踪程序在执行过程中对read系统调用的使用，可以使用-e选项：
strace -e read ls
这将只显示ls命令执行过程中的read系统调用。
6、跟踪信号
strace不仅可以跟踪系统调用，还可以跟踪程序接收到的信号。信号是操作系统用来通知程序发生了某种事件的一种机制。例如，可以使用以下命令跟踪ls命令接收到的所有信号：
strace -o signal.log ls
这将把ls命令接收到的信号输出到signal.log文件中。
7、过滤输出
strace的输出有时可能非常庞大，特别是当程序进行大量系统调用时。为了更方便地分析输出，可以使用grep等工具对strace的输出进行过滤。例如：
strace -c ls | grep 'open'
这将只显示与open系统调用相关的统计信息。
四、底层实现
strace的底层实现主要依赖于Linux内核提供的ptrace系统调用。ptrace是一个强大的系统调用，它允许一个进程（通常被称为调试器或追踪器）观察和控制另一个进程（被调试或被追踪的进程）的执行，并检索有关该进程的状态信息。以下是strace底层实现的一些关键点：
1. ptrace系统调用
功能：ptrace允许一个进程（tracer）附加到另一个进程（tracee）上，并对其进行监控和控制。tracer可以读取tracee的寄存器、内存、系统调用等信息，甚至可以修改tracee的执行流程。
用途：主要用于调试器（如gdb）和性能分析工具中，以实现对目标进程的深入监控和分析。
2. strace的工作原理
当使用strace跟踪一个进程时，它会利用ptrace系统调用附加到该进程上。
strace会陷入（trap）被跟踪进程中的每一个系统调用的入口点和出口点。每当被跟踪的进程执行一个系统调用，内核会将控制权交回给strace。
strace捕获系统调用的参数、返回值以及执行时间等信息，并将这些信息记录下来。这些信息对于分析程序行为、调试和性能优化非常有用。
除了系统调用外，strace还可以捕获进程接收的信号，这些信号可能会中断系统调用或导致进程状态的改变。
3. 输出格式化
strace将捕获到的信息格式化并输出到标准输出或指定的文件中。输出信息通常包括系统调用的名称、参数和返回值。
用户可以通过strace的多种参数来控制输出的格式和内容，以满足不同的需求。
4. 权限要求
使用strace通常需要足够的权限，因为它涉及到对另一个进程的监控和控制。通常，需要以root用户身份运行strace，或者确保当前用户具有足够的权限来追踪指定的进程。
5. 注意事项
使用strace可能会对系统性能产生一定影响，因为它需要追踪并记录大量的系统调用信息。因此，在生产环境中应谨慎使用。
在使用strace时，应确保对目标进程有足够的了解，以避免对进程的正常执行造成干扰。