这些Linux程序调试工具可以看到程序内部的很多小秘密
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2020-08-13 12:53
来源：https://urlify.cn/VF7V7v
01 总览
编译阶段
nm 获取二进制文件包含的符号信息 strings 获取二进制文件包含的字符串常量 strip 去除二进制文件包含的符号 readelf 显示目标文件详细信息 objdump 尽可能反汇编出源代码 addr2line 根据地址查找代码行
运行阶段
gdb 强大的调试工具 ldd 显示程序需要使用的动态库和实际使用的动态库 strace 跟踪程序当前的系统调用 ltrace 跟踪程序当前的库函数 time 查看程序执行时间、用户态时间、内核态时间 gprof 显示用户态各函数执行时间 valgrind 检查内存错误 mtrace 检查内存错误
其他
proc文件系统 系统日志
02 编译阶段
nm（获取二进制文件里面包含的符号）
符号：函数、变量
参数：
-C 把C++函数签名转为可读形式 -A 列出符号名的时候同时显示来自于哪个文件。 -a 列出所有符号（这将会把调试符号也列出来。默认状态下调试符号不会被列出） -l 列出符号在源代码中对应的行号（指定这个参数后，nm将利用调试信息找出文件名以及符号的行号。对于一个已定义符号，将会找出这个符号定义的行号，对于未定义符号,显示为空） -n 根据符号的地址来排序（默认是按符号名称的字母顺序排序的） -u 只列出未定义符号
strings（获取二进制文件里面的字符串常量）
功能：
获取二进制文件里面的字符串常量
用途：
比较重要的是检查KEY泄露
eg：strings 查找
选项：
-a 不只是扫描目标文件初始化和装载段, 而是扫描整个文件。 -f 在显示字符串之前先显示文件名。 -n min-len打印至少min-len字符长的字符串.默认的是4。
#strings /lib/tls/libc.so.6 | grep GLIBC
GLIBC_2.0
GLIBC_2.1
GLIBC_2.1.1
……
这样就能看到glibc支持的版本。
strip（去除二进制文件里面包含的符号）
用途：
可执行程序减肥（通常只在已经调试和测试过的生成模块上，因为不能调试了）
反编译、反跟踪
readelf（显示目标文件详细信息）
nm 程序可用于列举符号及其类型和值，但是，要更仔细地研究目标文件中这些命名段的内容，需要使用功能更强大的工具。其中两种功能强大的工具是objdump和readelf。
readelf工具使用来显示一个或多个ELF格式文件信息的GNU工具。使用不同的参数可以查看ELF文件不同的的信息。
readelf
-a 显示所有ELF文件的信息 -h 显示ELF文件的文件头 -l 显示程序头（program-header）和程序段（segment）和段下面的节 -S 显示较为详细的节信息（section） -s 显示符号信息， -n 显示标识信息（如果有） -r 显示重定位信息(如果有) -u 显示展开函数信息（如果有） -d 显示动态节信息，一般是动态库的信息
objdump（尽可能反汇编出源代码）objdump –S
尽可能反汇编出源代码，尤其当编译的时候指定了-g参数时，效果比较明显。
addr2line（根据地址查找代码行）
当某个进程崩溃时，日志文件（/var/log/messages）中就会给出附加的信息，包括程序终止原因、故障地址，以及包含程序状态字（PSW）、通用寄存器和访问寄存器的简要寄存器转储。
eg：Mar 31 11:34:28 l02 kernel: failing address: 0
如果可执行文件包括调试符号（带-g编译的），使用addr2line，可以确定哪一行代码导致了问题。
eg：addr2line –e exe addr
其实gdb也有这个功能，不过addr2line的好处是，很多时候，bug很难重现，我们手上只有一份crash log。这样就可以利用addr2line找到对应的代码行，很方便。
注意：
该可执行程序用-g编译，使之带调试信息。 如果crash在一个so里面，那addr2line不能直接给出代码行。
参数：
-a 在显示函数名或文件行号前显示地址 -b 指定二进制文件格式 -C 解析C++符号为用户级的名称,可指定解析样式 -e 指定二进制文件 -f 同时显示函数名称 -s 仅显示文件的基本名，而不是完整路径 -i 展开内联函数 -j 读取相对于指定节的偏移而不是绝对地址 -p 每个位置都在一行显示
03 运行阶段
调试程序的常见步骤：
1、确定运行时间主要花在用户态还是内核态（比较土的一个方法：程序暂时屏蔽daemon()调用，hardcode收到n个请求后exit(0)，time一下程序……）。
2、如果是用户态，则使用gprof进行性能分析。
3、如果是内核态，则使用strace进行性能分析，另外可以使用其他工具（比如ltrace等）辅助。
ldd（显示程序需要使用的动态库和实际使用的动态库）
# ldd /bin/ls
linux-gate.so.1 => (0xbfffe000)
librt.so.1 => /lib/librt.so.1 (0xb7f0a000)
libacl.so.1 => /lib/libacl.so.1 (0xb7f04000)
libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0xb7dc3000)
libpthread.so.0 => /lib/libpthread.so.0 (0xb7dab000)
/lib/ld-linux.so.2 (0xb7f1d000)
libattr.so.1 => /lib/libattr.so.1 (0xb7da6000)
第一栏：需要用什么库；第二栏：实际用哪个库文件；第三栏：库文件装载地址。
如果缺少动态库，就会没有第二栏。
strace（跟踪当前系统调用）
结果默认输出到2。
-p -c 最后统计各个system call的调用情况 -T 打印system call的调用时间 -t/-tt/-ttt 时间格式 -f/-F 跟踪由fork/vfork调用所产生的子进程 -o
如：strace -f -o ~/
-e expr 指定一个表达式，用来控制如何跟踪，格式如下: -e open等价于-e trace=open，表示只跟踪open调用
使用 strace –e open ./prg 来看程序使用了哪些配置文件或日志文件，很方便。
-e trace=
例如：-e trace=open,close,rean,write 表示只跟踪这四个系统调用.
-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
ltrace（跟踪当前库函数）
参数和strace很接近
time（查看程序执行时间、用户态时间、内核态时间）
# time ps aux | grep 'hi'
1020 21804 0.0 0.0 1888 664 pts/6 S+ 17:46 0:00 grep hi
real 0m0.009s
user 0m0.000s
sys 0m0.004s
注意：
time只跟踪父进程，所以不能fork
gprof（显示用户态各函数执行时间）
gprof原理：
在编译和链接程序的时候（使用 -pg 编译和链接选项），gcc在你应用程序的每个函数中都加入了一个名为mcount（or“_mcount”, or“__mcount”）的函数，也就是说-pg编译的应用程序里的每一个函数都会调用mcount, 而mcount会在内存中保存一张函数调用图，并通过函数调用堆栈的形式查找子函数和父函数的地址。这张调用图也保存了所有与函数相关的调用时间，调用次数等等的所有信息。
使用步骤：
1、使用 -pg 编译和链接应用程序
gcc -pg -o exec exec.c
如果需要库函数调用情况：
gcc -lc_p -gp -o exec exec.c
2、执行应用程序使之生成供gprof 分析的数据gmon.out
3、使用gprof 程序分析应用程序生成的数据
gprof exec gmon.out > profile.txt
注意：
程序必须通过正常途径退出（exit()、main返回），kill无效。对后台常驻程序的调试——我的比较土方法是，屏蔽daemon()调用，程序hardcode收到n个请求后exit(0)。
有时不太准。
只管了用户态时间消耗，没有管内核态消耗。
gdb core exec （gdb查看core文件） 准备生成core：
启动程序前，ulimit -c unlimited，设置core文件不限制大小。（相反，ulimit -c 0，可以阻止生成core文件）
默认在可执行程序的路径，生成的是名字为core的文件，新的core会覆盖旧的。
设置core文件名字：
/proc/sys/kernel/core_uses_pid 可以控制产生的core文件的文件名中是否添加pid作为扩展，1为扩展，否则为0。
proc/sys/kernel/core_pattern 可以设置格式化的core文件保存位置或文件名，比如原来文件内容是core，可以修改为：
echo "/data/core/core-%e-%p-%t" > core_pattern
以下是参数列表:
%p - insert pid into filename 添加pid %u - insert current uid into filename 添加当前uid %g - insert current gid into filename 添加当前gid %s - insert signal that caused the coredump into the filename 添加导致产生core的信号 %t - insert UNIX time that the coredump occurred into filename 添加core文件生成时的unix时间 %h - insert hostname where the coredump happened into filename 添加主机名 %e - insert coredumping executable name into filename 添加命令名
使用gdb查看core：
gdb
opprofile （查看CPU耗在哪）
常用命令
使用oprofile进行cpu使用情况检测，需要经过初始化、启动检测、导出检测数据、查看检测结果等步骤，以下为常用的oprofile命令。
初始化
opcontrol --no-vmlinux : 指示oprofile启动检测后，不记录内核模块、内核代码相关统计数据 opcontrol --init : 加载oprofile模块、oprofile驱动程序
检测控制
opcontrol --start : 指示oprofile启动检测 opcontrol --dump : 指示将oprofile检测到的数据写入文件 opcontrol --reset : 清空之前检测的数据记录 opcontrol -h : 关闭oprofile进程
查看检测结果
opreport : 以镜像(image)的角度显示检测结果，进程、动态库、内核模块属于镜像范畴 opreport -l : 以函数的角度显示检测结果 opreport -l test : 以函数的角度，针对test进程显示检测结果 opannotate -s test : 以代码的角度，针对test进程显示检测结果 opannotate -s /lib64/libc-2.4.so : 以代码的角度，针对libc-2.4.so库显示检测结果
linux # opreport
CPU: Core 2, speed 2128.07 MHz (estimated) Counted CPU_CLK_UNHALTED events (Clock cycles when not halted) with a unit mask of 0x00 (Unhalted core cycles) count 100000CPU_CLK_UNHAL
T.........| samples | %| ------------------------ 31645719 87.6453 no-vmlinux 4361113 10.3592 libend.so 7683 0.1367 libpython2.4.so.1.0 7046 0.1253 op_test
valgrind（检查内存错误）
使用步骤：
1、官网下载并安装valgrind。
2、-g编译的程序都可以使用。
官网的示例代码test.c
#include
void f(void)
{
int* x = malloc(10 * sizeof(int));
x[10] = 0; // problem 1: heap block overrun
} // problem 2: memory leak -- x not freed
int main(void)
{
f();
return 0;
}
编译程序gcc -Wall -g -o test test.c
3、valgrind启动程序，屏幕输出结果。
valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./test
注意：
valgrind只能查找堆内存的访问错误，对栈上的对象和静态对象没办法。
valgrind会影响进程性能，据说可能慢20倍，所以在性能要求高的情况下，只能使用mtrace这种轻量级的工具了（但是mtrace只能识别简单的内存错误）。
如果程序生成的core的堆栈是错乱的，那么基本上是stackoverflow了。这种情况，可以通过在编译的时候，加上 –fstack-protector-all 和 -D_FORTIFY_SOURCE=2 来检测。Stack-protector-all 会在每个函数里加上堆栈保护的代码，并在堆栈上留上指纹。（记录下，没用过）
因为valgrind 查不了栈和静态对象的内存访问越界，这类问题，可以通过使用gcc的-fmudflap –lmudflap 来检测。（记录下，没用过）
全局变量的类型不一致的问题，现在还找到比较好的方法，这从另一个方面说明全局对象不是个好的设计，这给调试带来了麻烦。
mtrace（检查内存错误）
mtrace是glibc內提供的工具，原理很简单，就是把你程序中malloc()和free()的位置全部下來，最后两辆配对，沒有配对到的就是memory leak。
使用的步骤如下：
1、代码中添加mtrace()
#include
#include
int main(void)
{
int *p;
int i;
#ifdef DEBUG
setenv("MALLOC_TRACE", "./memleak.log", 1);
mtrace();
#endif
p=(int *)malloc(1000);
return 0;
}
这段代码malloc了一个空间，却沒有free掉。我们添加9-12行的mtrace调用。
2、编译gcc -g -DDEBUG -o test1 test1.c
3、执行./test1，在目录里会发现./memleak.log。
4、使用mtrace 查看信息。
# mtrace test1 memleak.log
- 0x0804a008 Free 3 was never alloc'd 0xb7e31cbe
- 0x0804a100 Free 4 was never alloc'd 0xb7ec3e3f
- 0x0804a120 Free 5 was never alloc'd 0xb7ec3e47
Memory not freed:
-----------------
Address Size Caller
0x0804a4a8 0x3e8 at /home/illidanliu/test1.c:14
可以看到test1.c没有对应的free()。
04 其他
proc文件系统
内核的窗口。
proc文件系统是一个伪文件系统，它存在内存当中，而不占用外存空间。
用户和应用程序可以通过proc得到系统的信息，并可以改变内核的某些参数。
proc/目录结构（部分）：
cmdline 内核命令行 cpuinfo 关于Cpu信息 devices 可以用到的设备（块设备/字符设备） filesystems 支持的文件系统 interrupts 中断的使用 ioports I/O端口的使用 kcore 内核核心映像 kmsg 内核消息 meminfo 内存信息 mounts 加载的文件系统 stat 全面统计状态表 swaps 对换空间的利用情况 version 内核版本 uptime 系统正常运行时间 net 网络信息 sys 可写，可以通过它来访问或修改内核的参数
proc/目录结构（部分）：
cmdline 命令行参数 environ 环境变量值 fd 一个包含所有文件描述符的目录 mem 进程的内存被利用情况 stat 进程状态 status Process status in human readable form cwd 当前工作目录的链接 exe Link to the executable of this process maps 内存映像 statm 进程内存状态信息 root 链接此进程的root目录
系统日志
/var/log/下的日志文件：
/var/log/messages 整体系统信息，其中也包含系统启动期间的日志。此外，mail、cron、daemon、kern和auth等内容也记录在var/log/messages日志中。 /var/log/auth.log 系统授权信息，包括用户登录和使用的权限机制等。 /var/log/boot.log 系统启动时的日志。 /var/log/daemon.log 各种系统后台守护进程日志信息。 /var/log/lastlog 记录所有用户的最近信息。这不是一个ASCII文件，因此需要用lastlog命令查看内容。 /var/log/user.log 记录所有等级用户信息的日志。 /var/log/cron 每当cron进程开始一个工作时，就会将相关信息记录在这个文件中。 /var/log/wtmp或utmp 登录信息。 /var/log/faillog 用户登录失败信息。此外，错误登录命令也会记录在本文件中。
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