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Linux 下使用 strace 诊断疑难杂症

Strace是什么?
strace是一个用来跟踪系统调用的简易工具。它最简单的用途就是跟踪一个程序整个生命周期里所有的系统调用,并把调用参数和返回值以文本的方式输出。
当然它还可以做更多的事情:
strace可以过筛选出特定的系统调用。
strace可以记录系统调用的次数,时间,成功和失败的次数。
strace可以跟踪发给进程的信号。
strace可以通过pid附加到任何正在运行的进程上。
strace类似其他Unix系统上的truss,或者Sun's Dtrace

这个简单而又强大的工具几乎在所有的Linux操作系统上可用,并且可被用来调试大量的程序。

参数详解
-c 统计每一系统调用的所执行的时间,次数和出错的次数等.
-d 输出strace关于标准错误的调试信息.
-f 跟踪由fork调用所产生的子进程.
-ff 如果提供-o filename,则所有进程的跟踪结果输出到相应的filename.pid中,pid是各进程的进程号.
-F 尝试跟踪vfork调用.在-f时,vfork不被跟踪.
-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.
-r 打印出相对时间关于,每一个系统调用.
-t 在输出中的每一行前加上时间信息.
-tt 在输出中的每一行前加上时间信息,微秒级.
-ttt 微秒级输出,以秒了表示时间.
-T 显示每一调用所耗的时间.
-v 输出所有的系统调用.一些调用关于环境变量,状态,输入输出等调用由于使用频繁,默认不输出.
-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.
-a column
设置返回值的输出位置.默认 为40.
-e expr
指定一个表达式,用来控制如何跟踪.格式如下:
[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.
-o filename
将strace的输出写入文件filename
-p pid
跟踪指定的进程pid.
-s strsize
指定输出的字符串的最大长度.默认为32.文件名一直全部输出.
-u username
以username 的UID和GID执行被跟踪的命令

举个栗子
例1
帮助查看库依赖问题
最简单的形式,strace后面可以跟任何命令。它将列出许许多多的系统调用。一开始,我们并不能理解所有的输出,但是如果你正在寻找一些特殊的东西,那么你应该能从输出中发现它。
让我们来看看简单命令ssh的系统调用跟踪情况。

strace ssh
execve("/usr/bin/ssh", ["ssh"], [/* 22 vars */]) = 0
brk(0)                                  = 0x5618009da000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f7a9d5f8000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
...
exit_group(255)                         = ?
+++ exited with 255 +++

例2

strace -o output.txt -T -tt -e trace=all -p 28979

上面的含义是 跟踪28979进程的所有系统调用(-e trace=all),并统计系统调用的花费时间,以及开始时间(并以可视化的时分秒格式显示),最后将记录结果存在output.txt文件里面

例3
查看进程是否卡住

strace -p 36699
Process 36699 attached - interrupt to quit
futex(0x22d8400, FUTEX_WAIT_PRIVATE, 0, NULL

到这里没有任何输出 程序挂起
在这个示例里进程在调用futex的时候被挂起了。
顺带一说,在这个例子里调用futex挂起可能有很多的原因(Futex是Linux的一种线程同步原语)。

NOTICE:
对于僵尸进程来说, strace 是没有权限访问的:

$sudo strace  -p 62497
attach: ptrace(PTRACE_ATTACH, ...): Operation not permitted、

例4
寻找被程序读取的配置文件

strace php 2>&1 | grep php.ini
open("/usr/bin/php.ini", O_RDONLY)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/php.ini", O_RDONLY)          = 3
lstat("/etc/php.ini", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=69345, ...}) = 0

例5
跟踪指定的系统调用
strace命令的-e选项仅仅被用来展示特定的系统调用(例如,open,write等等)
让我们跟踪一下cat命令的 `open` 系统调用。

strace cat /tmp/trace.2043925204.012003.xt | head
execve("/bin/cat", ["cat", "/tmp/trace.2043925204.012003.xt"], [/* 35 vars */]) = 0
brk(0)                                  = 0x167f000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fb7d8991000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY)      = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=74047, ...}) = 0
mmap(NULL, 74047, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fb7d897e000
close(3)                                = 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY)      = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0p\356\1\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1920936, ...}) = 0
mmap(NULL, 3750152, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fb7d83df000
mprotect(0x7fb7d8569000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7fb7d8769000, 20480, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x18a000) = 0x7fb7d8769000
...

例6
统计概要
它包括系统调用的概要,执行时间,错误等等。使用-c选项能够以一种整洁的方式展示:

strace -c ls
environments  generate  githooks  hieradata  manifests  master  modules  README.md
% time     seconds  usecs/call     calls    errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
  0.00    0.000000           0        10           read
  0.00    0.000000           0         1           write
  0.00    0.000000           0        12           open
  0.00    0.000000           0        14           close
  0.00    0.000000           0        12           fstat
  0.00    0.000000           0        28           mmap
  0.00    0.000000           0        16           mprotect
  0.00    0.000000           0         3           munmap
  0.00    0.000000           0         3           brk
  0.00    0.000000           0         2           rt_sigaction
  0.00    0.000000           0         1           rt_sigprocmask
  0.00    0.000000           0         2           ioctl
  0.00    0.000000           0         1         1 access
  0.00    0.000000           0         1           execve
  0.00    0.000000           0         1           fcntl
  0.00    0.000000           0         2           getdents
  0.00    0.000000           0         1           getrlimit
  0.00    0.000000           0         1           statfs
  0.00    0.000000           0         1           arch_prctl
  0.00    0.000000           0         2         1 futex
  0.00    0.000000           0         1           set_tid_address
  0.00    0.000000           0         1           set_robust_list
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
100.00    0.000000                   116         2 total

例7
保存到文件中

strace -f -F -o /tmp/strace.txt xxserver

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/tmp/strace.txt里 面,xxserver 是要启动和调试的程序。

例8
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:

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

例9
为什么程序打不开这个文件?
是否有遇到过读取文件的时候被拒绝呢,你可以试试下面的命令
查看open()和access()系统调用是否有异常

strace -e open,access 2>&1 | grep your-filename

例10
为什么连不上服务器?
调试某些进程为什么连不上远程的服务器是个很让人头疼的事情。DNS可能挂了,连接可能断了,服务器可能返回什么无法识别的东西等等。你可以使用tcpdump去分析这些问题,tcpdump是个很棒的工具。但是很多情况下,strace可以给你提供更简洁的信息。如果你的程序里有很多进程连接到某台服务器,用tcpdump来处理就是很头疼的事情,因为你会得到太多的信息,没法抓到重点。
下面是一个跟踪`nc`命令连接到 www.news.com 的80端口的例子:

strace -e poll,select,connect,recvfrom,sendto nc www.news.com 80
sendto(3, "\\24\\0\\0\\0\\26\\0\\1\\3\\255\\373NH\\0\\0\\0\\0\\0\\0\\0\\0", 20, 0, {sa_family=AF_NETLINK, pid=0, groups=00000000}, 12) = 20
connect(3, {sa_family=AF_FILE, path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (No such file or directory)
connect(3, {sa_family=AF_FILE, path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (No such file or directory)
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, 28) = 0
poll([{fd=3, events=POLLOUT, revents=POLLOUT}], 1, 0) = 1
sendto(3, "\\213\\321\\1\\0\\0\\1\\0\\0\\0\\0\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\34\\0\\1", 30, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 30
poll([{fd=3, events=POLLIN, revents=POLLIN}], 1, 5000) = 1
recvfrom(3, "\\213\\321\\201\\200\\0\\1\\0\\1\\0\\1\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\34\\0\\1\\300\\f"..., 1024, 0, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, [16]) = 153
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, 28) = 0
poll([{fd=3, events=POLLOUT, revents=POLLOUT}], 1, 0) = 1
sendto(3, "k\\374\\1\\0\\0\\1\\0\\0\\0\\0\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\1\\0\\1", 30, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 30
poll([{fd=3, events=POLLIN, revents=POLLIN}], 1, 5000) = 1
recvfrom(3, "k\\374\\201\\200\\0\\1\\0\\2\\0\\0\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\1\\0\\1\\300\\f"..., 1024, 0, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, [16]) = 106
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, 28) = 0
poll([{fd=3, events=POLLOUT, revents=POLLOUT}], 1, 0) = 1
sendto(3, "\\\\\\2\\1\\0\\0\\1\\0\\0\\0\\0\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\1\\0\\1", 30, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 30
poll([{fd=3, events=POLLIN, revents=POLLIN}], 1, 5000) = 1
recvfrom(3, "\\\\\\2\\201\\200\\0\\1\\0\\2\\0\\0\\0\\0\\3www\\4news\\3com\\0\\0\\1\\0\\1\\300\\f"..., 1024, 0, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(53), sin_addr=inet_addr("62.30.112.39")}, [16]) = 106
connect(3, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(80), sin_addr=inet_addr("216.239.122.102")}, 16) = -1 EINPROGRESS (Operation now in progress)
select(4, NULL, [3], NULL, NULL)        = 1 (out [3])

那么,这里发生了什么?这个连接尝试访问了/var/run/nscd/socket,这意味着nc命令首先尝试连接NSCD服务(名称缓存守护进程,通常用于NIS,YP,LDAP中的名字查找)。在上面的例子里执行失败 <connect(3, {sa_family=AF_FILE, path="/var/run/nscd/socket"}, 110) = -1 ENOENT (No such file or directory)
>。

nc命令转而使用DNS(DNS的端口是53,"sin_port=htons(53)" )。可以看到程序调用”sendto()"发送包含www.news.com信息的DNS数据包。因为某些原因,尝试了3次。为什么会这样呢?我猜测可能www.news.com是CNAME ,最后,程序连接从DNS获取到的IP,注意这里,返回EINPROGRESS。这意味这这个连接是非堵塞的。连接成功后nc调用select。

添加read和write到跟踪的系统调用列表里,连接上后敲入test,你会看到如下信息:

read(0, "test\\n", 1024)                 = 5
write(3, "test\\n", 5)                   = 5
poll([{fd=3, events=POLLIN, revents=POLLIN}, {fd=0, events=POLLIN}], 2, -1) = 1
read(3, "\"-//IETF//"..., 1024) = 216
write(1, "\"-//IETF//"..., 216) = 216

你可以看到,程序从标准输入中读取到“test”,并写到网络连接中,然后调用poll()等待响应,读取响应然后写入到标准输出中。看起来一切工作正常。

Reference
Linux随机数发生器导致Apache进程全部Block的问题追查
技巧: 使用truss、strace或ltrace诊断软件的"疑难杂症"
linux-strace-command-examples
5 simple ways to troubleshoot using Strace

License: Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International

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