最近学习了一些调试工具，包括ltrace strace ftrace。这些都属于不同层级的调试工具。
下面是我画的简易的层次关系图。
App | | <--------ltrace | libc ld < -------strace | | <----------systemtap kernel <---------ftrace
systemtap是当下功能强大的内核函数追踪工具，我们编写特定的script就可以调试内核函数，由于这个篇幅有限，我将在其他文章中进行介绍。
先从最简单的说起ltrace起。
拿最简单的hello world程序来说，printf调用的lic里面的库函数说白了就是put（）,put()函数返回值就是打印字符的个数，包括转移字符\n。
[root@localhost day3]# ltrace -f ./hello
[pid 15439] __libc_start_main(0x40052c, 1, 0x7fff226b6888, 0x400560
[pid 15439] puts("Hello world"Hello world
) = 12
[pid 15439] puts("Hello world"Hello world
) = 12
[pid 15439] +++ exited (status 0) +++
[root@localhost day3]#
下面我来说一下strace的功能，追踪system call 与 signal。所谓系统调用，就是内核提供的、功能十分强大的一系列的函数。这些系统调用是在内核中实现的，比如linux中的POSIX标准就是指的这一些。再通过一定的方式把系统调用给用户，一般都通过门(gate)陷入(trap)实现。系统调用是用户程序和内核交互的接口。
[root@localhost day3]# strace -f ./hello
execve("./hello", ["./hello"], [/* 51 vars */]) = 0
brk(0) = 0x184e000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7ff8cecb5000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=114694, ...}) = 0
mmap(NULL, 114694, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7ff8cec98000
close(3) = 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\20\33\242\361<\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2071376, ...}) = 0
mmap(0x3cf1a00000, 3896312, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x3cf1a00000
mprotect(0x3cf1bad000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x3cf1dad000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1ad000) = 0x3cf1dad000 mmap(0x3cf1db3000, 17400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x3cf1db3000
close(3) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7ff8cec97000
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7ff8cec95000
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7ff8cec95740) = 0
mprotect(0x3cf1dad000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x600000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x3cf1820000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7ff8cec98000, 114694) = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7ff8cecb4000
write(1, "Hello world\n", 12Hello world ) = 12
write(1, "Hello world\n", 12Hello world ) = 12
exit_group(0) = ? +++
exited with 0 +++
root@localhost day3]#
通过查看上面的system call，我们就会对elf文件载入流程有一个清晰的认识。
流程：
1.调用execve()函数执行载入
2.brk() allocate new space to load the infomation of programmer
3.mmap()把elf头载入virtual address
4.先链接ld.so与ld.so.cache中是否存在之前调用过库函数的绝对地址
5.查看file 状态的fstat()，包括r w x 等
6.读取ELF头，并映射到虚拟地址，进行内存保护mprotect（）
7.载入libc.so库函数
8.arch_prctl()设置运行环境的体系结构
9.write（）就是内核中写函数，包括发消息给其他的用户，写入设备等。
10.完成调用，退出。
Ftrace 是一个内核中的追踪器，用于帮助系统开发者或设计者查看内核运行情况，它可以被用来调试或者分析延迟/性能问题。最早 ftrace 是一个 function tracer，仅能够记录内核的函数调用流程。如今 ftrace 已经成为一个 framework，采用 plugin 的方式支持开发人员添加更多种类的 trace 功能。
Ftrace需要kernel支持
CONFIG_FUNCTION_TRACER
CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER
CONFIG_CONTEXT_SWITCH_TRACER
CONFIG_NOP_TRACER
CONFIG_SCHED_TRACER
Debugfs 勾选，这样才可以使用ftrace中的一些特定功能。
编译内核完成后，重新开机载入新内核。
ftrace不同于其他的调试工具，他需要debugfs的辅助。debugfs是一种特殊的文件系统，本身无法进行编辑，任何写入信息都要靠echo载入。另外由于是kernel debug，所以需要最高的root权限。 我们要先挂载这个文件系统到特殊的文件目录。这个/mnt/与/sys/kernel/debug/tracing是等同的。
[root@localhost /]# mount -t debugfs debugfs /mnt/ [root@localhost /]# cd /mnt/ [root@localhost mnt]# ls acpi cleancache dri hid iwlwifi mei sched_features usb x86 bdi cxgb4 dynamic_debug ideapad kernel_page_tables mmc0 sleep_time vgaswitcheroo xen bluetooth debug_objects extfrag ieee80211 kprobes rcu suspend_stats virtio-ports boot_params dma_buf frontswap ips mce regmap tracing wakeup_sources [root@localhost mnt]# cd tracing/ [root@localhost tracing]# ls available_events enabled_functions max_graph_depth set_ftrace_filter stack_trace_filter tracing_cpumask available_filter_functions events options set_ftrace_notrace trace tracing_max_latency available_tracers free_buffer per_cpu set_ftrace_pid trace_clock tracing_on buffer_size_kb function_profile_enabled printk_formats set_graph_function trace_marker tracing_thresh buffer_total_size_kb instances README snapshot trace_options uprobe_events current_tracer kprobe_events saved_cmdlines stack_max_size trace_pipe uprobe_profile dyn_ftrace_total_info kprobe_profile set_event stack_trace trace_stat
============= Ftrace 的普通使用步骤如下：===================================================================================
1. 挂载Debugfs:
Ftrace 通过 debugfs 向用户态提供访问接口。配置内核时激活 debugfs 后会创建目录 /sys/kernel/debug ，debugfs 文件系统就是挂载
到该目录。
1.1 运行时挂载：
Officially mount method :
# mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
OR:
# mkdir /debug
# mount -t debugfs nodev /debug
# cd /debug/tracing
OR: # mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
# ln -s /sys/kernel/debug /debug
1.2 系统启动自动挂载：
要在系统启动自动挂载debugfs，需要将如下内容添加到 /etc/fstab 文件：
debugfs /sys/kernel/debug debugfs defaults 0 0
2. 选择一种 tracer:
# cat current_tracer
nop // no option
# cat available_tracers
blk function_graph function nop
# echo function_graph > current_tracer
3. 打开关闭追踪（在老的内核上有tracing_enabled，需要给tracing_enabled和tracing_on同时赋1 才能打开追踪，而在新的内核上去掉tracing_enabled只需要控制tracing_on 即可打开关闭追踪）
# echo 1 > tracing_on; run_test; echo 0 > tracing_on
注：其实ftrace_enabled并不是去掉了，而是从 tracing目录中去掉，我们还是可以在 /proc/sys/kernel/ftrace_enabled 目录下看到他的身影，而且默认已经被设置为1，所以现在我们只需要echo 1到tracing_on 中即可打开追踪。
$ cat /proc/sys/kernel/ftrace_enabled
1
4. 查看追踪结果：
ftrace 的输出信息主要保存在 3 个文件中。
* Trace，该文件保存 ftrace 的输出信息，其内容可以直接阅读。
* latency_trace，保存与 trace 相同的信息，不过组织方式略有不同。主要为了用户能方便地分析系统中有关延迟的信息。
* trace_pipe 是一个管道文件，主要为了方便应用程序读取 trace 内容。算是扩展接口吧。
所以可以直接查看 trace 追踪文件，也可以在追踪之前使用trace_pipe 将追踪结果直接导向其他的文件。
比如： # cat trace_pipe > /tmp/log &
# cat /tmp/log
OR # cat trace
============= Ftrace 的进阶使用：=====================================================================================================
1. 使用 echo pid > set_ftrace_pid 来追踪特定的进程！
2. 追踪事件：
2.1 首先查看事件文件夹下面有哪些选项：
# ls events/
block ext4 header_event jbd2 napi raw_syscalls …… enable
# ls events/sched/
enable sched_kthread_stop_ret sched_process_exit sched_process_wait ……
2.2 追踪一个/若干事件：
# echo 1 > events/sched/sched_wakeup/enable
# cat trace | head -10
# tracer: nop
#TASK-PID CPU# TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |
bash-2613 [001] 425.078164: sched_wakeup: task bash:2613 [120] success=0 [001]
bash-2613 [001] 425.078184: sched_wakeup: task bash:2613 [120] success=0 [001]
...
2.3 追踪一类事件：
# echo 1 > events/sched/enable
# cat trace | head -10
# tracer: nop
#TASK-PID CPU# TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |
events/0-9 [000] 638.042792: sched_switch: task events/0:9 [120] (S) ==> kondemand/0:1305 [120]
ondemand/0-1305 [000] 638.042796: sched_stat_wait: task: restorecond:1395 wait: 15023 [ns]
...
2.4 追踪所有事件：
# echo 1 > events/enable
# cat trace | head -10
# tracer: nop
#TASK-PID CPU# TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |
cpid-1470 [001] 794.947181: kfree: call_site=ffffffff810c996d ptr=(null)
acpid-1470 [001] 794.947182: sys_read -> 0x1
acpid-1470 [001] 794.947183: sys_exit: NR 0 = 1
...
3. stack_trace
# echo 1 > /proc/sys/kernel/stack_tracer_enabled
OR # kernel command line “stacktrace”
查看： # cat stack_trace
4. 将要跟踪的函数写入文件 set_ftrace_filter ，将不希望跟踪的函数写入文件 set_ftrace_notrace。通常直接操作文件 set_ftrace_filter 就可以了.
============= Ftrace 提供的函数使用===================================================================================================
内核头文件 include/linux/kernel.h 中描述了 ftrace 提供的工具函数的原型，这些函数包括 trace_printk、tracing_on/tracing_off 等。
1. 使用 trace_printk 打印跟踪信息
ftrace 提供了一个用于向 ftrace 跟踪缓冲区输出跟踪信息的工具函数，叫做 trace_printk()，它的使用方式与 printk() 类似。可以通过 trace 文件读取该函数的输出。从头文件 include/linux/kernel.h 中可以看到，在激活配置 CONFIG_TRACING 后，trace_printk() 定义为宏：
#define trace_printk(fmt, args…) \
…
所以在使用时：(例子是在一个内核模块中添加打印信息)
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static int ftrace_demo_init(void)
{
trace_printk("Can not see this in trace unless loaded for the second time\n");
return 0;
}
static void ftrace_demo_exit(void)
{
trace_printk("Module unloading\n");
}
module_init(ftrace_demo_init);
module_exit(ftrace_demo_exit);
2. 使用 tracing_on/tracing_off 控制跟踪信息的记录
在跟踪过程中，有时候在检测到某些事件发生时，想要停止跟踪信息的记录，这样，跟踪缓冲区中较新的数据是与该事件有关的。在用户态，可以通过向文件 tracing_on 写入 0 来停止记录跟踪信息，写入 1 会继续记录跟踪信息。而在内核代码中，可以通过函数 tracing_on() 和 tracing_off() 来做到这一点，它们的行为类似于对 /sys/kernel/debug/tracing 下的文件 tracing_on 分别执行写 1 和 写 0 的操作。
使用这两个函数，会对跟踪信息的记录控制地更准确一些，这是因为在用户态写文件 tracing_on 到实际暂停跟踪，中间由于上下文切换、系统调度控制等可能已经经过较长的时间，这样会积累大量的跟踪信息，而感兴趣的那部分可能会被覆盖掉了。
实际代码中，可以通过特定条件（比如检测到某种异常状况，等等）来控制跟踪信息的记录，函数的使用方式类似如下的形式：
if (condition)
tracing_on() or tracing_off()
跟踪模块运行状况时，使用 ftrace 命令操作序列在用户态进行必要的设置，而在代码中则可以通过 traceing_on() 控制在进入特定代码区域时开启跟踪信息，并在遇到某些条件时通过 tracing_off() 暂停；读者可以在查看完感兴趣的信息后，将 1 写入 tracing_on 文件以继续记录跟踪信息。实践中，可以通过宏来控制是否将对这些函数的调用编译进内核模块，这样可以在调试时将其开启，在最终发布时将其关闭。
用户态的应用程序可以通过直接读写文件 tracing_on 来控制记录跟踪信息的暂停状态，以便了解应用程序运行期间内核中发生的活动。
如果我们要开启追踪功能。echo 1 > tracing_on echo function_graph >current_tracer
另外我们也可以设置要追踪的pid值 event buffer等
# tracer: function_graph
#
# CPU DURATION FUNCTION CALLS
# | | | | | | |
2) | update_curr() {
2) 0.147 us | update_min_vruntime();
2) | cpuacct_charge() {
2) 0.097 us | debug_lockdep_rcu_enabled();
2) 0.082 us | rcu_is_cpu_idle();
2) 0.120 us | debug_lockdep_rcu_enabled();
2) 0.098 us | debug_lockdep_rcu_enabled();
2) 0.094 us | rcu_is_cpu_idle();
2) 0.099 us | rcu_lockdep_current_cpu_online();
2) 0.072 us | debug_lockdep_rcu_enabled();
2) 0.071 us | rcu_is_cpu_idle();
2) 6.935 us | }
2) 8.757 us | }
2) 0.269 us | __compute_runnable_contrib();
2) 0.093 us | __update_entity_load_avg_contrib();
2) 0.188 us | update_cfs_rq_blocked_load();
2) 0.113 us | update_cfs_shares();
2) | sched_slice.isra.38() {
2) 0.206 us | calc_delta_mine();
2) 0.962 us | }
ftrace 不仅可以追踪内核中的函数，也可以追踪用户态下的函数是如何trap in kernel 然后ret的。
比如我们写一个fork的demo
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int ret;
int fd;
int i = 0;
char pidbuf[20];
pid_t id;
id = fork();
if (id < 0) {
fprintf(stderr, "Error in fork");
exit(-1);
} else if (id == 0) {
scanf("%d", &i);
ret = execv("hello", NULL);
if (ret == -1) {
fprintf(stderr, "Error in execv");
exit(-1);
}
} else {
sprintf(pidbuf, "%ld", (long)id);
fd = open("/sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_pid", O_CREAT | O_RDWR, 0660);
if (fd < 0) {
fprintf(stderr, "Error in open");
exit(-1);
}
write(fd, pidbuf, strlen(pidbuf));
close(fd);
fd = open("/sys/kernel/debug/tracing/tracing_on", O_CREAT | O_RDWR, 0660);
write(fd, "1", 2);
close(fd);
printf("!!!!\n");
sleep(5);
}
return 0;
}
然后使用ftrace进行追踪，可以得到一个system call的完整的结果。
