監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內進程間通信的技術原理
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本文詳細描述了一種利用 ptrace 系統(tǒng)調用，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)內部進程通信的監(jiān)視方法，并提供了相應的實現(xiàn)方案。
概述
復雜的嵌入式系統(tǒng)中，常常同時運行著相當多的進程。這些進程之間頻繁的進行著大量的通信動作。進程的運行狀態(tài)與這些不斷發(fā)生的通信有著直接和緊密的聯(lián)系。通過對進程間通信的監(jiān)視，開發(fā)人員可以掌控系統(tǒng)內部運轉的狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)錯誤時，利用獲取到的進程間通信的信息，調試工程師更容易發(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絡接口的終端（ console ）方式。在這個模式下，開發(fā)人員難以細致準確的觀察進程間的通信。而且對于計算能力薄弱的嵌入式系統(tǒng)來說，在終端上打印出通信報文既會影響系統(tǒng)內部的運行，同時，也會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。
為了解決這個問題，在嵌入式 Linux 的平臺上，我們開發(fā)了一整套用于監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內進程間通信的軟件，用于調試我們開發(fā)的嵌入式產品。本文詳細介紹了監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內進程間通信的技術原理和實現(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)調用是監(jiān)視進程間通信的關鍵。 ptrace 為我們提供了一種觀察和控制其它進程的方法。利用 ptrace ，我們可以截獲正在運行的進程的所有的系統(tǒng)調用。所謂截獲是指，監(jiān)視程序可以在這些系統(tǒng)調用發(fā)生和退出時，獲得系統(tǒng)調用的參數(shù)，甚至修改參數(shù)。這些系統(tǒng)調用包括： read , write , sendto, recv 等等。在 Linux 中，用戶可以通過“ man syscalls ”來查看當前版本的 Linux 所支持的系統(tǒng)調用。
在我們的 Linux 嵌入式產品中， AF_UNIX 域的 socket 被廣泛使用。它被用來完成進程間通信的工作。 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：接收進程創(chuàng)建一個 AF_UNIX 域的 socket ，設定其模式為數(shù)據(jù)報( SOCK_DGRAM )。在這之后，為其綁定一個含路徑的文件名，例如： /var/tmp/receive.unix 。這個文件名被內核用于標識socket。發(fā)送進程創(chuàng)建一個相同模式的 AF_UNIX 域的 socket 。然后，調用 sendto 向接收進程發(fā)送消息。用來標識接收進程 socket 的就是前面提到的文件名，也就是 /var/tmp/receive.unix 。而接收進程使用 recvfrom 系統(tǒng)調用，就可以收到發(fā)送進程發(fā)出的消息。
因此，通過 ptrace ，一旦我們接管了被監(jiān)視進程的 sendto 和 recvfrom 系統(tǒng)調用，將使我們能夠截獲到使用這兩個系統(tǒng)調用進行通信的數(shù)據(jù)。
ptrace 系統(tǒng)調用的定義如下:
| #include sys/ptrace.h> long int ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void * addr, void * data); |
它共有四個參數(shù)。 request 的值決定 ptrace 執(zhí)行什么樣的任務。 pid 指明被追蹤的進程的 id 。 request 參數(shù)決定了是否需要一個有效的 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程的進程空間的偏移量。 data 類似于 addr 參數(shù)，有時也可以使用 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)視的進程的用戶空間中。
一個完整的示例代碼將向我們展示監(jiān)視進程間通信的技術細節(jié)和關鍵點。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> |
為了在程序中使用 ptrace 系統(tǒng)調用，我們需要增加 ptrace.h 頭文件。為了能夠獲得截獲的系統(tǒng)調用的函數(shù)入?yún)ⅲ覀冃枰褂?struct user_regs_struct 結構。它在 user.h 中被定義。由于在程序中使用了信號，因此，我們也需要 wait.h 。我們要監(jiān)視通信動作， 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)視進程的狀態(tài)變化； syscall_entry 記錄被監(jiān)視進程當前是進入系統(tǒng)調用，還是從系統(tǒng)調用中返回； u_in 用來獲得截獲的系統(tǒng)調用的參數(shù)； traced_process 則是被監(jiān)視進程的 PID 值。
| traced_process = atoi(argv[1]); /* 從命令行得到監(jiān)視進程的PID */ ptrace(PTRACE_ATTACH, traced_process, NULL, NULL); wait(status); /* 等待被監(jiān)視進程狀態(tài)變化 */ ptrace(PTRACE_SYSCALL, traced_process, NULL, NULL); |
參數(shù)為 PTRACE_ATTACH 的 ptrace 對被監(jiān)視進程在內核中的進程結構進行修改。使被監(jiān)視進程成為當前程序的子進程。一旦被監(jiān)視進程的狀態(tài)發(fā)生變化， wait() 將返回。程序再次調用 ptrace 。這次的參數(shù)為 PTRACE_SYSCALL 。被監(jiān)視進程的進程結構再次被修改，其 trace 標志被激活。內核將在被監(jiān)視進程的每一次系統(tǒng)調用時，觸發(fā)當前程序的運行。
| While (1) { /* 等待被監(jiān)視程序調用系統(tǒng)調用或是發(fā)生其它狀態(tài)變化 */ wait(status); /* 如果被監(jiān)視進程退出，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 */ |
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