嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)程間通信的監(jiān)視方法
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本文詳細(xì)描述了一種利用 ptrace 系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)程通信的監(jiān)視方法，并提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。
概述
復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)中，常常同時(shí)運(yùn)行著相當(dāng)多的進(jìn)程。這些進(jìn)程之間頻繁的進(jìn)行著大量的通信動(dòng)作。進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)與這些不斷發(fā)生的通信有著直接和緊密的聯(lián)系。通過對(duì)進(jìn)程間通信的監(jiān)視，開發(fā)人員可以掌控系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，利用獲取到的進(jìn)程間通信的信息，調(diào)試工程師更容易發(fā)現(xiàn)問題之所在。
但是，嵌入式系統(tǒng)與開發(fā)人員的接口往往較為單一。開發(fā)人員廣泛使用通常是基于串口或是網(wǎng)絡(luò)接口的終端( console )方式。在這個(gè)模式下，開發(fā)人員難以細(xì)致準(zhǔn)確的觀察進(jìn)程間的通信。而且對(duì)于計(jì)算能力薄弱的嵌入式系統(tǒng)來說，在終端上打印出通信報(bào)文既會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行，同時(shí)，也會(huì)使屏幕上充斥的過多的無用信息，使開發(fā)人員的分析工作無從下手。
為了解決這個(gè)問題，在嵌入式 Linux 的平臺(tái)上，我們開發(fā)了一整套用于監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間通信的軟件，用于調(diào)試我們開發(fā)的嵌入式產(chǎn)品。本文詳細(xì)介紹了監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間通信的技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)監(jiān)視軟件的推薦方案。
監(jiān)視方法的基本原理
Linux 中的 ptrace 系統(tǒng)調(diào)用是監(jiān)視進(jìn)程間通信的關(guān)鍵。 ptrace 為我們提供了一種觀察和控制其它進(jìn)程的方法。利用 ptrace ，我們可以截獲正在運(yùn)行的進(jìn)程的所有的系統(tǒng)調(diào)用。所謂截獲是指，監(jiān)視程序可以在這些系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生和退出時(shí)，獲得系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)，甚至修改參數(shù)。這些系統(tǒng)調(diào)用包括： read , write , sendto, recv 等等。在 Linux 中，用戶可以通過“ man syscalls ”來查看當(dāng)前版本的 Linux 所支持的系統(tǒng)調(diào)用。
在我們的 Linux 嵌入式產(chǎn)品中， AF_UNIX 域的 socket 被廣泛使用。它被用來完成進(jìn)程間通信的工作。 AF_UNIX 域的 socket 的編程模型與通常的 socket 編程模型完全相同。我們的使用方法是：接收進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè) AF_UNIX 域的 socket ，設(shè)定其模式為數(shù)據(jù)報(bào)( SOCK_DGRAM )。在這之后，為其綁定一個(gè)含路徑的文件名，例如： /var/tmp/receive.unix 。這個(gè)文件名被內(nèi)核用于標(biāo)識(shí)socket。發(fā)送進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)相同模式的 AF_UNIX 域的 socket 。然后，調(diào)用 sendto 向接收進(jìn)程發(fā)送消息。用來標(biāo)識(shí)接收進(jìn)程 socket 的就是前面提到的文件名，也就是 /var/tmp/receive.unix 。而接收進(jìn)程使用 recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用，就可以收到發(fā)送進(jìn)程發(fā)出的消息。
因此，通過 ptrace ，一旦我們接管了被監(jiān)視進(jìn)程的 sendto 和 recvfrom 系統(tǒng)調(diào)用，將使我們能夠截獲到使用這兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)。
ptrace 系統(tǒng)調(diào)用的定義如下:
#include <sys/ptrace.h>
long int ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, \
void * addr, void * data);
|
它共有四個(gè)參數(shù)。 request 的值決定 ptrace 執(zhí)行什么樣的任務(wù)。 pid 指明被追蹤的進(jìn)程的 id 。 request 參數(shù)決定了是否需要一個(gè)有效的 addr 參數(shù)，還是僅用 NULL 即可。如果有必要使用有效的 addr 參數(shù)，它的含義是被追蹤的進(jìn)程的進(jìn)程空間的偏移量。 data 類似于 addr 參數(shù)，有時(shí)也可以使用 NULL 來代替。如果它被使用，它的含義是指向一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)希望被放置到被監(jiān)視的進(jìn)程的用戶空間中。
一個(gè)完整的示例代碼將向我們展示監(jiān)視進(jìn)程間通信的技術(shù)細(xì)節(jié)和關(guān)鍵點(diǎn)。代碼按前后順序分段說明。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <linux/user.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <linux/net.h>
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為了在程序中使用 ptrace 系統(tǒng)調(diào)用，我們需要增加 ptrace.h 頭文件。為了能夠獲得截獲的系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)入?yún)?，我們需要使?struct user_regs_struct 結(jié)構(gòu)。它在 user.h 中被定義。由于在程序中使用了信號(hào)，因此，我們也需要 wait.h 。我們要監(jiān)視通信動(dòng)作， socket.h 和 un.h 則是必不可少的。
下面是程序的入口主函數(shù)：
int main (int argc, char *argv[])
{
int status;
int syscall_entry = 0;
int traced_process;
struct user_regs_struct u_in;
|
status 用于記錄被監(jiān)視進(jìn)程的狀態(tài)變化; syscall_entry 記錄被監(jiān)視進(jìn)程當(dāng)前是進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用，還是從系統(tǒng)調(diào)用中返回; u_in 用來獲得截獲的系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù); traced_process 則是被監(jiān)視進(jìn)程的 PID 值。
traced_process = atoi(argv[1]); /* 從命令行得到監(jiān)視進(jìn)程的PID */ ptrace(PTRACE_ATTACH, traced_process, NULL, NULL);
wait(&status); /* 等待被監(jiān)視進(jìn)程狀態(tài)變化 */ ptrace(PTRACE_SYSCALL, traced_process, NULL, NULL);
|
參數(shù)為 PTRACE_ATTACH 的 ptrace 對(duì)被監(jiān)視進(jìn)程在內(nèi)核中的進(jìn)程結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。使被監(jiān)視進(jìn)程成為當(dāng)前程序的子進(jìn)程。一旦被監(jiān)視進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化， wait() 將返回。程序再次調(diào)用 ptrace 。這次的參數(shù)為 PTRACE_SYSCALL 。被監(jiān)視進(jìn)程的進(jìn)程結(jié)構(gòu)再次被修改，其 trace 標(biāo)志被激活。內(nèi)核將在被監(jiān)視進(jìn)程的每一次系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，觸發(fā)當(dāng)前程序的運(yùn)行。
While (1) {
/* 等待被監(jiān)視程序調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用或是發(fā)生其它狀態(tài)變化 */ wait(&status);
/* 如果被監(jiān)視進(jìn)程退出，函數(shù)返回真。程序退出 */ if ( WIFEXITED(status) )
break;
ptrace(PTRACE_GETREGS, traced_process, 0, &u_in);
if (u_in.orig_eax == 102 && u_in.ebx == SYS_SENDTO) {
if (syscall_entry == 0) { /* syscall entry */
insyscall = 1;
printf("call sendto()\n");
}
else { /* Syscall exit */
Syscall_entry = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL, traced_process, NULL, NULL);
} /* while */
return 0;
} /* main */
|
被監(jiān)視進(jìn)程的 trace 標(biāo)志被激活后，它的每一次系統(tǒng)調(diào)用都會(huì)被內(nèi)核檢查。我們程序也隨之被內(nèi)核用信號(hào)通知。使用參數(shù) PTRACE_GETREGS 的 ptrace() 將獲得截獲的系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)。最重要的參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。它保存在了 u_in.orig_eax 中。通過系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，我們可以確定發(fā)生的是那一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用號(hào)可以在 Linux 的源代碼中查找。它的定義在 linux-source-2.6.xx/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S 中。它的部分代碼如下所示：
.long sys_fstatfs /* 100 */
.long sys_ioperm
.long sys_socketcall
.long sys_syslog
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在這里，我們最關(guān)心的是 sendto 系統(tǒng)調(diào)用。在 Linux 的內(nèi)核中， sendto 的真實(shí)入口是 socketcall 系統(tǒng)調(diào)用。它是 bind , sendto 等socket相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用的入口。在這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中，通過一個(gè) call number來區(qū)分出 bind ， sendto 等不同的子系統(tǒng)調(diào)用。在我們的程序中，這個(gè) call number 保存在 u_in.ebx 中。 從上面的 syscall_table_32.S 示例代碼就可以看出， socketcall 的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)是102(從100向下數(shù)兩行)。而 call number 則在 net.h 有定義，我們關(guān)心的 sendto 的 call number 被定義為 SYS_SENDTO ，其絕對(duì)值為11。有了這兩個(gè)重要的數(shù)據(jù)，我們的程序據(jù)此判斷當(dāng)前發(fā)生的系統(tǒng)調(diào)用是否為 sendto 。這一點(diǎn)表現(xiàn)為代碼：
if (u_in.orig_eax == 102 && u_in.ebx == SYS_SENDTO)
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被監(jiān)視進(jìn)程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用和退出系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，都會(huì)觸發(fā) wait() 返回，使我們的程序有機(jī)會(huì)運(yùn)行。因此，我們需要使用 syscall_entry 來記錄當(dāng)前時(shí)刻是被監(jiān)視進(jìn)程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用，還是退出系統(tǒng)調(diào)用。這是一個(gè)開關(guān)量，非常容易理解。 最后，每次處理完，都需要再次調(diào)用參數(shù)為 PTRACE_SYSCALL 的 ptrace ，準(zhǔn)備監(jiān)視下一次的系統(tǒng)調(diào)用。
上面的程序雖然很簡單，但已經(jīng)可以完整的表現(xiàn)出利用 ptrace 截獲被監(jiān)視進(jìn)程的 sendto 系統(tǒng)調(diào)用的過程。值得補(bǔ)充一點(diǎn)的是，利用 ptrace 也可以獲得 sendto 向外發(fā)送的數(shù)據(jù)。
sendto 系統(tǒng)調(diào)用的定義是：
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
size_t sendto(int s, const void *msg, size_t len, int flags, \
const struct sockaddr *to, socket len_t tolen);
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sendto 包含了六個(gè)參數(shù)，特別是 msg 參數(shù)指出了發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。參數(shù) to 指出了發(fā)送的目標(biāo)。利用 PTRACE_PEEKDATA 參數(shù)的 ptrace ，監(jiān)視程序?qū)⒖梢垣@得 sendto 的全部的六個(gè)參數(shù)。這樣監(jiān)視程序就完全獲得了被監(jiān)視進(jìn)程要向外發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送目標(biāo)。具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)在此不再展開論述。請(qǐng)參考 man ptrace說明手冊(cè)。
監(jiān)視系統(tǒng)的體系和應(yīng)用
利用上面討論的技術(shù)，我們開發(fā)了可以運(yùn)行在 mips 目標(biāo)板上的監(jiān)視程序，名為 ipcmsg 。它是一個(gè)命令行程序。在我們的應(yīng)用環(huán)境中，它的使用方法是：
root@host:~$ ipcmsg -p pid -l xxx.xxx.xxx.xxx -b 6000
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pid 是被監(jiān)視進(jìn)程的 pid ，可以通過 ps 命令獲得。 -l 參數(shù)后面指定 PC 主機(jī)的 IP 地址。 -b 參數(shù)指明了接收的端口號(hào)。
最初進(jìn)行監(jiān)視時(shí)， ipcmsg 是沒有 IP 地址和端口號(hào)參數(shù)的。所有信息是輸出到串口控制臺(tái)中。這既影響了運(yùn)行的效率(大量的在串口上的輸出會(huì)影響目標(biāo)板的運(yùn)行速度)，也不利于信息的處理。由于我們的目標(biāo)板具備以太網(wǎng)接口，我們很容易的想到將 ipcmsg 截獲的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 PC 主機(jī)上。使用 PC 主機(jī)更便于對(duì)進(jìn)程間通信的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。在 PC 主機(jī)上，我們使用 wireshark 這個(gè)非常流行的開源的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析軟件接收來自目標(biāo)板的信息。
在實(shí)際的使用過程中，我們使用以太網(wǎng)線將目標(biāo)板與 PC 主機(jī)相連。然后，在目標(biāo)板上啟動(dòng) ipcmsg ，并為其指定監(jiān)視進(jìn)程的 pid 。 ipcmsg運(yùn)行后，我們?cè)赑C主機(jī)上啟動(dòng) wireshark 接收來自 ipcmsg 的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包中包含了 mips 目標(biāo)板上進(jìn)程間通信的信息。利用我們?yōu)?ipcmsg 專門開發(fā)的 wireshark 插件，在 wireshark 上，我們可以詳細(xì)的分解 ipcmsg 轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，非常直觀的分析進(jìn)程間通信的過程和可能存在的問題。
從圖中可以看到，我們從 ipcmsg 獲得了進(jìn)程間通信的方式，參數(shù)( path 是 AF_UNIX域 socket 地址參數(shù))，方向和內(nèi)容，以及進(jìn)程名稱。這些信息幫助我們對(duì)嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。而這一切非常直觀和便于操作。
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