Golang 与系统调用

GopherCon2017 中的一个视频讲解了如何用 golang 实现一个简单  strace,本文是基于此演讲整理而来。

什么是系统调用

先看下 wiki 的定义:

系统调用是程序向操作系统内核请求服务的过程,通常包含硬件相关的服务(例如访问硬盘),创建新进程等。系统调用提供了一个进程和操作系统之间的接口。

syscall 无处不在

只要在 os 上写程序,就无法避免和 syscall 打交道。举个最常用的例子, fmt.Println(“hello world”), 这里就用到了系统调用 write, 我们翻一下源码。

Zero-Copy

再举一个例子,我们常听到的 zero-copy,我们看看 zero-copy 是用来解决什么问题的。

借用一张图来说明问题

  1. 第一步,read() 导致上下文切换( context switch ),从用户模式进入内核模式,DMA(Direct memory access) engine 从磁盘中读取内容,存入内核地址 buffer。

  2. 第二步,数据从内核 buffer 拷贝入用户 buffer,read() 返回,上下文切换回用户态。

  3. 第三步,write() 上下文切换,把 buffer 拷贝到内核地址 buffer。

  4. 第四步,write() 返回,第四次上下文切换,DMA engine 把数据从内核buffer 传给协议引擎,一般是进入队列,等待传输。

我们看到,这里数据在用户空间和内核空间来回拷贝,其实是不必要的。

解决的办法有: mmap, sendfile, 具体可以参考这篇文章(http://www.linuxjournal.com/article/6345?page=0,0 )。

到这里我们应该对系统调用有了一定的认识了。

Strace

strace 是用于查看进程系统调用的工具, 一般使用方法如下:

stace 的实现原理是系统调用 ptrace, 我们来看下 ptrace 是什么。

Ptrace

man page 描述如下:

The ptrace() system call provides a means by which one process (the “tracer”) may observe and control the execution of another process (the “tracee”), and examine and change the tracee’s memory and registers. It is primarily used to implement breakpoint debuggingand system call tracing.

简单来说有三大能力:

  • 追踪系统调用

  • 读写内存和寄存器

  • 向被追踪程序传递信号

接口

tracer 使用 PTRACE_ATTACH 命令,指定需要追踪的PID。紧接着调用 PTRACE_SYSCALL。

tracee 会一直运行,直到遇到系统调用,内核会停止执行。 此时,tracer 会收到 SIGTRAP 信号,tracer 就可以打印内存和寄存器中的信息了。

接着,tracer 继续调用 PTRACE_SYSCALL, tracee 继续执行,直到 tracee 退出当前的系统调用。

需要注意的是,这里在进入 syscall 和退出 syscall 时,tracer 都会察觉。

myStrace

了解以上内容后,presenter 现场实现了一个 go 版本的 strace, 需要在 linux amd64 环境编译。

github

// strace.go

// 用于统计信息的 counter, syscallcounter.go

最后结果:

对比一下结果,可以发现和 strace 是一样的

github : https://github.com/lizrice/strace-from-scratch

原文链接:https://segmentfault.com/a/1190000010630859

转载|segmentfault

 

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