В Unix-подобных операционных системах общение программы с внешним миром и операционной системой происходит через небольшой набор функций — системных вызовов. А значит, в отладочных целях полезно бывает подсмотреть за выполняемыми процессами системными вызовами.

Следить за «интимной жизнью» программ на Linux помогает утилита strace, которой и посвящена эта статья. К примерам использования «шпионского» оборудования прилагаются краткая история strace и описание устройства подобных программ.

Содержание

• Происхождение видов ^[1]
• Устройство strace в двух словах: Piglet Trace ^[2]
• Азы: запуск программы под управлением strace ^[3]
• Азы: присоединение к процессу на лету ^[4]
• Пример: отслеживание дочерних процессов ^[5]
• Пример: пути к файлам вместо дескрипторов ^[6]
• Пример: отслеживание обращений к файлам ^[7]
• Пример: многопоточные программы ^[8]
• Мастер-класс: стек процесса в момент системного вызова ^[9]
• Мастер-класс: инъекция ошибок ^[10]
• Послесловие ^[11]

Происхождение видов

Главный интерфейс между программами и ядром OC в Unix — системные вызовы (англ. system calls, syscalls), взаимодействие программ с внешним миром происходит исключительно через них.

Но в первой публичной версии Unix (Version 6 Unix ^[12], 1975 год) удобных способов отслеживания поведения пользовательских процессов не было. Для решения этой проблемы Bell Labs к следующей версии (Version 7 Unix ^[13], 1979 год) предложили новый системный вызов — ptrace.

Разрабатывался ptrace прежде всего для интерактивных отладчиков, но к концу 80-х (в эпоху коммерческого уже System V Release 4 ^[14]) на этой основе появились и получили широчайшее распространение узконаправленные отладчики — трассировщики системных вызовов.

Первая ^[15] же версия strace была опубликована Полом Кроненбургом в рассылке comp.sources.sun в 1992 году в качестве альтернативы закрытой утилите trace от Sun. Как клон, так и оригинал предназначались для SunOS, но к 1994 году strace была портирована на System V, Solaris и набирающий популярность Linux.

Сегодня strace поддерживает только Linux и опирается на всё тот же ptrace, обросший множеством расширений.

Современный (и весьма активный) мейнтейнер strace — Дмитрий Левин ^[16]. Благодаря ему утилита обзавелась продвинутыми возможностями вроде инъекции ошибок в системные вызовы, поддержкой широкого спектра архитектур и, главное, маскотом ^[17]. Неофициальные источники утверждают, что выбор пал на страуса из-за созвучности русского слова «страус» и английского "strace".

Немаловажно и то, что системный вызов ptrace и трассировщики так и не были включены в POSIX, несмотря на долгую историю и наличие реализации в Linux, FreeBSD, OpenBSD и традиционных Unix.

Устройство strace в двух словах: Piglet Trace

"You are not expected to understand this" (Деннис Ричи, комментарий в исходном коде Version 6 Unix)

С раннего детства я терпеть не могу чёрные ящики: с игрушками я не играл, а пытался разобраться в их устройстве (взрослые употребляли слово «ломал», но не верьте злым языкам). Возможно, поэтому мне так близки неформальная культура первых Unix и современного open-source-движения.

В рамках этой статьи разбирать исходный код раздобревшей за десятилетия strace неразумно. Но и тайн для читателей оставаться не должно. Поэтому, чтобы показать принцип работы подобных strace программ, я приведу код миниатюрного трассировщика — Piglet Trace ^[18] (ptr). Ничего особенного он делать не умеет, но главное — системные вызовы программы — выводит:

$ gcc examples/piglet-trace.c -o ptr
$ ptr echo test > /dev/null
BRK(12) -> 94744690540544
ACCESS(21) -> 18446744073709551614
ACCESS(21) -> 18446744073709551614
unknown(257) -> 3
FSTAT(5) -> 0
MMAP(9) -> 140694657216512
CLOSE(3) -> 0
ACCESS(21) -> 18446744073709551614
unknown(257) -> 3
READ(0) -> 832
FSTAT(5) -> 0
MMAP(9) -> 140694657208320
MMAP(9) -> 140694650953728
MPROTECT(10) -> 0
MMAP(9) -> 140694655045632
MMAP(9) -> 140694655070208
CLOSE(3) -> 0
unknown(158) -> 0
MPROTECT(10) -> 0
MPROTECT(10) -> 0
MPROTECT(10) -> 0
MUNMAP(11) -> 0
BRK(12) -> 94744690540544
BRK(12) -> 94744690675712
unknown(257) -> 3
FSTAT(5) -> 0
MMAP(9) -> 140694646390784
CLOSE(3) -> 0
FSTAT(5) -> 0
IOCTL(16) -> 18446744073709551591
WRITE(1) -> 5
CLOSE(3) -> 0
CLOSE(3) -> 0
unknown(231)
Tracee terminated

Piglet Trace распознает порядка сотни системных вызовов Linux (см. таблицу ^[19]) и работает только на архитектуре x86-64. Для учебных целей этого достаточно.

Давайте разберём работу нашего клона. В случае с Linux для отладчиков и трассировщиков используется, как упоминалось выше, системный вызов ptrace. Он работает посредством передачи в первом аргументе идентификаторов команд, из которых нам нужны только PTRACE_TRACEME, PTRACE_SYSCALL и PTRACE_GETREGS.

Работа трассировщика начинается в обычном Unix-стиле: fork(2) запускает дочерний процесс, а тот в свою очередь с помощью exec(3) запускает исследуемую программу. Единственная тонкость здесь — вызов ptrace(PTRACE_TRACEME) перед exec: процесс-потомок ожидает, что процесс-родитель будет его отслеживать:

pid_t child_pid = fork();
switch (child_pid) {
case -1:
    err(EXIT_FAILURE, "fork");
case 0:
    /* Child here */
    /* A traced mode has to be enabled. A parent will have to wait(2) for it
     * to happen. */
    ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
    /* Replace itself with a program to be run. */
    execvp(argv[1], argv + 1);
    err(EXIT_FAILURE, "exec");
}

Процесс-родитель теперь должен вызвать wait(2) в дочернем процессе, то есть убедиться, что переключение в режим трассировки произошло:

/* Parent */

/* First we wait for the child to set the traced mode (see
 * ptrace(PTRACE_TRACEME) above) */
if (waitpid(child_pid, NULL, 0) == -1)
    err(EXIT_FAILURE, "traceme -> waitpid");

На этом приготовления закончены и можно приступать непосредственно к отслеживанию системных вызовов в бесконечном цикле.

Вызов ptrace(PTRACE_SYSCALL) гарантирует, что последующий wait родителя завершится либо перед исполнением системного вызова, либо сразу после его завершения. Между двумя вызовами можно осуществить какие-либо действия: заменить вызов на альтернативный, изменить аргументы или возвращаемое значение.

Нам же достаточно дважды вызвать команду ptrace(PTRACE_GETREGS), чтобы получить состояние регистра rax до вызова (номер системного вызова) и сразу после (возвращаемое значение).

Собственно, цикл:

/* A system call tracing loop, one interation per call. */
for (;;) {
    /* A non-portable structure defined for ptrace/GDB/strace usage mostly.
     * It allows to conveniently dump and access register state using
     * ptrace. */
    struct user_regs_struct registers;

    /* Enter syscall: continue execution until the next system call
     * beginning. Stop right before syscall.
     *
     * It's possible to change the system call number, system call
     * arguments, return value or even avoid executing the system call
     * completely. */
  if (ptrace(PTRACE_SYSCALL, child_pid, NULL, NULL) == -1)
      err(EXIT_FAILURE, "enter_syscall");
  if (waitpid(child_pid, NULL, 0) == -1)
      err(EXIT_FAILURE, "enter_syscall -> waitpid");

  /* According to the x86-64 system call convention on Linux (see man 2
   * syscall) the number identifying a syscall should be put into the rax
   * general purpose register, with the rest of the arguments residing in
   * other general purpose registers (rdi,rsi, rdx, r10, r8, r9). */
  if (ptrace(PTRACE_GETREGS, child_pid, NULL, &registers) == -1)
      err(EXIT_FAILURE, "enter_syscall -> getregs");

  /* Note how orig_rax is used here. That's because on x86-64 rax is used
   * both for executing a syscall, and returning a value from it. To
   * differentiate between the cases both rax and orig_rax are updated on
   * syscall entry/exit, and only rax is updated on exit. */
  print_syscall_enter(registers.orig_rax);

  /* Exit syscall: execute of the syscall, and stop on system
   * call exit.
   *
   * More system call tinkering possible: change the return value, record
   * time it took to finish the system call, etc. */
  if (ptrace(PTRACE_SYSCALL, child_pid, NULL, NULL) == -1)
      err(EXIT_FAILURE, "exit_syscall");
  if (waitpid(child_pid, NULL, 0) == -1)
      err(EXIT_FAILURE, "exit_syscall -> waitpid");

  /* Retrieve register state again as we want to inspect system call
   * return value. */
  if (ptrace(PTRACE_GETREGS, child_pid, NULL, &registers) == -1) {
      /* ESRCH is returned when a child terminates using a syscall and no
       * return value is possible, e.g. as a result of exit(2). */
      if (errno == ESRCH) {
          fprintf(stderr, "nTracee terminatedn");
          break;
      }
      err(EXIT_FAILURE, "exit_syscall -> getregs");
  }

  /* Done with this system call, let the next iteration handle the next
   * one */
  print_syscall_exit(registers.rax);
}

Вот и весь трассировщик. Теперь вы знаете, с чего начинать очередное портирование DTrace ^[20] на Linux.

Азы: запуск программы под управлением strace

В качестве первого примера использования strace, пожалуй, стоит привести самый простой способ — запуск приложения под управлением strace.

Чтобы не копаться в бесконечном списке вызовов типичной программы, напишем минимальную программу ^[21] вокруг write:

int main(int argc, char *argv[])
{
    char str[] = "write me to stdoutn";
    /* write(2) is a simple wrapper around a syscall so it should be easy to
     * find in the syscall trace. */
    if (sizeof(str) != write(STDOUT_FILENO, str, sizeof(str))){
        perror("write");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

Соберем программу и убедимся, что она работает:

$ gcc examples/write-simple.c -o write-simple
$ ./write-simple
write me to stdout

И наконец запустим ее под управлением strace:

$ strace ./write-simple
pexecve("./write", ["./write"], 0x7ffebd6145b0 /* 71 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0x55ff5489e000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=197410, ...}) = 0
mmap(NULL, 197410, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f7a2a633000
close(3)                                = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "177ELF21133>1260342"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030544, ...}) = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f7a2a631000
mmap(NULL, 4131552, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f7a2a04c000
mprotect(0x7f7a2a233000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7f7a2a433000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7f7a2a433000
mmap(0x7f7a2a439000, 15072, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f7a2a439000
close(3)                                = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f7a2a6324c0) = 0
mprotect(0x7f7a2a433000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x55ff52b52000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7f7a2a664000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7f7a2a633000, 197410)          = 0
write(1, "write me to stdoutn", 20write me to stdout
)  = 20
exit_group(0)                           = ?

Очень «многословно» и не очень познавательно. Проблемы здесь две: вывод программы смешан с выводом strace и изобилие системных вызовов, которые нас не интересуют.

Разделить стандартный поток вывода программы и вывод ошибок strace можно при помощи ключа -o, перенаправляющего список системных вызовов в файл-аргумент.

Осталось разобраться с проблемой «лишних» вызовов. Предположим, что нас интересуют только вызовы write. Ключ -e позволяет указывать выражения, по которым будут фильтроваться системные вызовы. Самый популярный вариант условия — естественно, trace=*, при помощи которого можно оставить только интересующие нас вызовы.

При одновременном использовании -o и -e мы получим:

$ strace -e trace=write -owrite-simple.log ./write-simple
write me to stdout
$ cat write-simple.log
write(1, "write me to stdoutn", 20
)  = 20
+++ exited with 0 +++

Так, согласитесь, намного проще читается.

А ещё можно убирать системные вызовы — например, связанные с выделением и освобождением памяти:

$ strace -e trace=!brk,mmap,mprotect,munmap -owrite-simple.log ./write-simple
write me to stdout
$ cat write-simple.log
execve("./write-simple", ["./write-simple"], 0x7ffe9972a498 /* 69 vars */) = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=124066, ...}) = 0
close(3)                                = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "177ELF21133>1260342"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2030544, ...}) = 0
close(3)                                = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f00f0be74c0) = 0
write(1, "write me to stdoutn", 20)  = 20
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

Обратите внимание на экранированный восклицательный знак в списке исключённых вызовов: этого требует командная оболочка (англ. shell).

В моей версии glibc завершает исполнение процесса системный вызов exit_group, а не традиционный _exit. В этом состоит сложность работы с системными вызовами: интерфейс, с которым работает программист, не имеет прямого отношения к системным вызовам. Более того, он регулярно меняется в зависимости от реализации и платформы.

Азы: присоединение к процессу на лету

Изначально системный вызов ptrace, на котором построена strace, можно было использовать только при запуске программы в специальном режиме. Такое ограничение, быть может, звучало разумно во времена Version 6 Unix. В наши же дни этого уже недостаточно: бывает, нужно исследовать проблемы работающей программы. Типичный пример — заблокированный на дескрипторе или спящий процесс. Поэтому современная strace умеет присоединяться к процессам на лету.

Пример зависающей программы ^[22]:

int main(int argc, char *argv[])
{
    (void) argc; (void) argv;

    char str[] = "write men";

    write(STDOUT_FILENO, str, sizeof(str));

    /* Sleep indefinitely or until a signal arrives */
    pause();

    write(STDOUT_FILENO, str, sizeof(str));

    return EXIT_SUCCESS;
}

Соберём программу и убедимся в том, что она зависла:

$ gcc examples/write-sleep.c -o write-sleep
$ ./write-sleep
./write-sleep
write me
^C
$

А теперь попробуем присоединиться к ней:

$ ./write-sleep &
[1] 15329
write me
$ strace -p 15329
strace: Process 15329 attached
pause(
^Cstrace: Process 15329 detached
 <detached ...>

Программа заблокирована вызовом pause. Посмотрим, как она отреагирует на сигналы:

$ strace -o write-sleep.log -p 15329 &
strace: Process 15329 attached
$
$ kill -CONT 15329
$ cat write-sleep.log
pause()                                 = ? ERESTARTNOHAND (To be restarted if no handler)
--- SIGCONT {si_signo=SIGCONT, si_code=SI_USER, si_pid=14989, si_uid=1001} ---
pause(
$
$ kill -TERM 15329
$ cat write-sleep.log
pause()                                 = ? ERESTARTNOHAND (To be restarted if no handler)
--- SIGCONT {si_signo=SIGCONT, si_code=SI_USER, si_pid=14989, si_uid=1001} ---
pause()                                 = ? ERESTARTNOHAND (To be restarted if no handler)
--- SIGTERM {si_signo=SIGTERM, si_code=SI_USER, si_pid=14989, si_uid=1001} ---
+++ killed by SIGTERM +++

Мы запустили зависнувшую программу и присоединились к ней при помощи strace. Выяснились две вещи: системный вызов pause игнорирует сигналы без обработчиков и, что интереснее, strace отслеживает не только системные вызовы, но и входящие сигналы.

Пример: отслеживание дочерних процессов

Работа с процессами через вызов fork — основа всех Unix. Давайте посмотрим, как strace работает с деревом процессов на примере несложной «плодящейся» программы ^[23]:

int main(int argc, char *argv[])
{
    pid_t parent_pid = getpid();
    pid_t child_pid = fork();
    if (child_pid == 0) {
        /* A child is born! */
        child_pid = getpid();

        /* In the end of the day printf is just a call to write(2). */
        printf("child (self=%d)n", child_pid);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    printf("parent (self=%d, child=%d)n", parent_pid, child_pid);

    wait(NULL);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

Здесь исходный процесс создаёт дочерний процесс, оба пишут в стандартный поток вывода:

$ gcc examples/fork-write.c -o fork-write
$ ./fork-write
parent (self=11274, child=11275)
child (self=11275)

По умолчанию мы увидим только системные вызовы родительского процесса:

$ strace -e trace=write -ofork-write.log ./fork-write
child (self=22049)
parent (self=22048, child=22049)
$ cat fork-write.log
write(1, "parent (self=22048, child=22049)"..., 33) = 33
--- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=22049, si_uid=1001, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
+++ exited with 0 +++

Отслеживать дерево процессов целиком помогает флаг -f, с которым strace отслеживает системные вызовы в процессах-потомках. К каждой строке вывода при этом добавляется pid процесса, делающего системный вывод:

$ strace -f -e trace=write -ofork-write.log ./fork-write
parent (self=22710, child=22711)
child (self=22711)
$ cat fork-write.log
22710 write(1, "parent (self=22710, child=22711)"..., 33) = 33
22711 write(1, "child (self=22711)n", 19) = 19
22711 +++ exited with 0 +++
22710 --- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=22711, si_uid=1001, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
22710 +++ exited with 0 +++

В этом контексте может пригодиться фильтрация по группам системных вызовов:

$ strace -f -e trace=%process -ofork-write.log ./fork-write
parent (self=23610, child=23611)
child (self=23611)
$ cat fork-write.log
23610 execve("./fork-write", ["./fork-write"], 0x7fff696ff720 /* 63 vars */) = 0
23610 arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f3d03ba44c0) = 0
23610 clone(child_stack=NULL, flags=CLONE_CHILD_CLEARTID|CLONE_CHILD_SETTID|SIGCHLD, child_tidptr=0x7f3d03ba4790) = 23611
23610 wait4(-1,  <unfinished ...>
23611 exit_group(0)                     = ?
23611 +++ exited with 0 +++
23610 <... wait4 resumed> NULL, 0, NULL) = 23611
23610 --- SIGCHLD {si_signo=SIGCHLD, si_code=CLD_EXITED, si_pid=23611, si_uid=1001, si_status=0, si_utime=0, si_stime=0} ---
23610 exit_group(0)                     = ?
23610 +++ exited with 0 +++

Кстати, какой системный вызов используется для создания нового процесса?

Пример: пути к файлам вместо дескрипторов

Знать файловые дескрипторы, безусловно, полезно, но имена конкретных файлов, к которым обращается программа, тоже могут пригодиться.

Следующая программа ^[24] пишет строку во временный файл:

void do_write(int out_fd)
{
    char str[] = "write me to a filen";

    if (sizeof(str) != write(out_fd, str, sizeof(str))){
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char tmp_filename_template[] = "/tmp/output_fileXXXXXX";

    int out_fd = mkstemp(tmp_filename_template);
    if (out_fd == -1) {
        perror("mkstemp");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    do_write(out_fd);

    return EXIT_SUCCESS;
}

При обычном вызове strace покажет значение числа-дескриптора, переданного в системный вызов:

$ strace -e trace=write -o write-tmp-file.log ./write-tmp-file
$ cat write-tmp-file.log
write(3, "write me to a filen", 20)  = 20
+++ exited with 0 +++

С флагом -y утилита показывает путь к файлу, которому соответствует дескриптор:

$ strace -y -e trace=write -o write-tmp-file.log ./write-tmp-file
$ cat write-tmp-file.log
write(3</tmp/output_fileCf5MyW>, "write me to a filen", 20) = 20
+++ exited with 0 +++

Пример: отслеживание обращений к файлам

Ещё одна полезная возможность: отображать только системные вызовы, связанные с конкретным файлом. Следующая программа ^[25] дописывает строку в произвольный файл, переданный в аргументе:

void do_write(int out_fd)
{
    char str[] = "write me to a filen";

    if (sizeof(str) != write(out_fd, str, sizeof(str))){
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    /*
     * Path will be provided by the first program argument.
     *  */
    const char *path = argv[1];

    /*
     * Open an existing file for writing in append mode.
     *  */
    int out_fd = open(path, O_APPEND | O_WRONLY);
    if (out_fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    do_write(out_fd);

    return EXIT_SUCCESS;
}

По умолчанию strace выводит много лишней информации. Флаг -P с аргументом заставляет strace выводить только обращения к указанному файлу:

$ strace -y -P/tmp/test_file.log -o write-file.log ./write-file /tmp/test_file.log
$ cat write-file.log
openat(AT_FDCWD, "/tmp/test_file.log", O_WRONLY|O_APPEND) = 3</tmp/test_file.log>
write(3</tmp/test_file.log>, "write me to a filen", 20) = 20
+++ exited with 0 +++

Пример: многопоточные программы

Утилита strace может помочь и при работе с многопоточной программой ^[26]. Следующая программа пишет в стандартный поток вывода из двух потоков:

void *thread(void *arg)
{
    (void) arg;

    printf("Secondary thread: workingn");
    sleep(1);
    printf("Secondary thread: donen");

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("Initial thread: launching a threadn");

    pthread_t thr;
    if (0 != pthread_create(&thr, NULL, thread, NULL)) {
        fprintf(stderr, "Initial thread: failed to create a thread");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Initial thread: joining a threadn");
    if (0 != pthread_join(thr, NULL)) {
        fprintf(stderr, "Initial thread: failed to join a thread");
        exit(EXIT_FAILURE);
    };

    printf("Initial thread: done");

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

Собирать её надо, естественно, со специальным приветом линковщику — флагом -pthread:

$ gcc examples/thread-write.c -pthread -o thread-write
$ ./thread-write
/thread-write
Initial thread: launching a thread
Initial thread: joining a thread
Secondary thread: working
Secondary thread: done
Initial thread: done
$

Флаг -f, как и в случае с обычными процессами, добавит в начало каждой строки pid процесса.

Естественно, речь идёт не об идентификаторе потока в смысле реализации стандарта POSIX Threads, а о номере, используемом планировщиком задач в Linux. С точки зрения последнего нет никаких процессов и потоков — есть задачи, которые надо распределить по доступным ядрам машины.

При работе в несколько потоков системных вызовов становится слишком много:

$ strace -f -othread-write.log ./thread-write
$ wc -l thread-write.log
60 thread-write.log

Имеет смысл ограничиться только управлением процессами и системным вызовом write:

$ strace -f -e trace="%process,write" -othread-write.log ./thread-write
$ cat thread-write.log
18211 execve("./thread-write", ["./thread-write"], 0x7ffc6b8d58f0 /* 64 vars */) = 0
18211 arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f38ea3b7740) = 0
18211 write(1, "Initial thread: launching a thre"..., 35) = 35
18211 clone(child_stack=0x7f38e9ba2fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f38e9ba39d0, tls=0x7f38e9ba3700, child_tidptr=0x7f38e9ba39d0) = 18212
18211 write(1, "Initial thread: joining a thread"..., 33) = 33
18212 write(1, "Secondary thread: workingn", 26) = 26
18212 write(1, "Secondary thread: donen", 23) = 23
18212 exit(0)                           = ?
18212 +++ exited with 0 +++
18211 write(1, "Initial thread: done", 20) = 20
18211 exit_group(0)                     = ?
18211 +++ exited with 0 +++

Кстати, вопросы. Какой системный вызов используется для создания нового потока? Чем такой вызов для потоков отличается от вызова для процессов?

Мастер-класс: стек процесса в момент системного вызова

Одна из недавно появившихся в strace возможностей — отображение стека вызовов функций в момент системного вызова. Простой пример ^[21]:

void do_write(void)
{
    char str[] = "write me to stdoutn";
    if (sizeof(str) != write(STDOUT_FILENO, str, sizeof(str))){
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    do_write();
    return EXIT_SUCCESS;
}

Естественно, вывод программы при этом становится очень объёмным, и, помимо флага -k (отображение стека вызовов), имеет смысл фильтровать системные вызовы по имени:

$ gcc examples/write-simple.c -o write-simple
$ strace -k -e trace=write -o write-simple.log ./write-simple
write me to stdout
$ cat write-simple.log
write(1, "write me to stdoutn", 20)  = 20
 > /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so(__write+0x14) [0x110154]
 > /home/vkazanov/projects-my/strace-post/write-simple(do_write+0x50) [0x78a]
 > /home/vkazanov/projects-my/strace-post/write-simple(main+0x14) [0x7d1]
 > /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so(__libc_start_main+0xe7) [0x21b97]
 > /home/vkazanov/projects-my/strace-post/write-simple(_start+0x2a) [0x65a]
+++ exited with 0 +++

Мастер-класс: инъекция ошибок

И ещё одна новая и очень полезная возможность: инъекция ошибок. Вот программа ^[27], пишущая две строки в поток вывода:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void do_write(const char *str, ssize_t len)
{
    if (len != write(STDOUT_FILENO, str, (size_t)len)){
        perror("write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    (void) argc; (void) argv;

    char str1[] = "write me 1n";
    do_write(str1, sizeof(str1));

    char str2[] = "write me 2n";
    do_write(str2, sizeof(str2));

    return EXIT_SUCCESS;
}

Отслеживаем оба вызова write:

$ gcc examples/write-twice.c -o write-twice
$ ./write-twice
write me 1
write me 2
$ strace -e trace=write -owrite-twice.log ./write-twice
write me 1
write me 2
$ cat write-twice.log
write(1, "write me 1n", 12)          = 12
write(1, "write me 2n", 12)          = 12
+++ exited with 0 +++

А теперь используем выражение inject, чтобы вставить ошибку EBADF во все вызовы write:

$ strace -e trace=write -e inject=write:error=EBADF -owrite-twice.log ./write-twice
$ cat write-twice.log
write(1, "write me 1n", 12)          = -1 EBADF (Bad file descriptor) (INJECTED)
write(3, "write: Bad file descriptorn", 27) = -1 EBADF (Bad file descriptor) (INJECTED)
+++ exited with 1 +++

Интересно, что ошибки возвращают все вызовы write, включая вызов, скрытый за perror. Имеет смысл возвращать ошибку только для первого из вызовов:

$ strace -e trace=write -e inject=write:error=EBADF:when=1 -owrite-twice.log ./write-twice
write: Bad file descriptor
$ cat write-twice.log
write(1, "write me 1n", 12)          = -1 EBADF (Bad file descriptor) (INJECTED)
write(3, "write: Bad file descriptorn", 27) = 27
+++ exited with 1 +++

Или второго:

$ strace -e trace=write -e inject=write:error=EBADF:when=2 -owrite-twice.log ./write-twice
write me 1
write: Bad file descriptor
$ cat write-twice.log
write(1, "write me 1n", 12)          = 12
write(1, "write me 2n", 12)          = -1 EBADF (Bad file descriptor) (INJECTED)
write(3, "write: Bad file descriptorn", 27) = 27
+++ exited with 1 +++

Тип ошибки указывать не обязательно:

$ strace -e trace=write -e fault=write:when=1 -owrite-twice.log ./write-twice
$ cat write-twice.log
write(1, "write me 1n", 12)          = -1 ENOSYS (Function not implemented) (INJECTED)
write(3, "write: Function not implementedn", 32) = 32
+++ exited with 1 +++

В сочетании с другими флагами можно «ломать» обращения к конкретному файлу. Пример:

$ strace -y -P/tmp/test_file.log -e inject=file:error=ENOENT -o write-file.log ./write-file /tmp/test_file.log
open: No such file or directory
$ cat write-file.log
openat(AT_FDCWD, "/tmp/test_file.log", O_WRONLY|O_APPEND) = -1 ENOENT (No such file or directory) (INJECTED)
+++ exited with 1 +++

Помимо инъекций ошибок, можно ^[28] вводить задержки при выполнении вызовов или получении сигналов.

Послесловие

Утилита strace — простой и надёжный инструмент. Но помимо системных вызовов отлаживать случается и другие аспекты работы программ и операционной системы. Например, отслеживать вызовы динамически линкуемых библиотек умеет ltrace ^[29], заглянуть в работу операционной системы могут SystemTap ^[30] и ftrace ^[31], а глубоко исследовать производительность программ позволяет perf ^[32]. Тем не менее именно strace — первая линия обороны в случае проблем с собственными и чужими программами, и использую я её минимум пару раз в неделю.

Словом, любите Unix, читайте man 1 strace и не стесняйтесь подглядывать за вашими программами!

Автор: Владимир Казанов

Источник ^[33]