Linux Debugging（六）: 动态库注入、ltrace、strace、Valgrind

实际上，Linux的调试方法非常多，针对不同的问题，不同的场景，不同的应用，都有不同的方法。很难去概括。本篇文章主要涉及本专栏还没有涵盖，但是的确有很重要的方法。本文主要包括动态库注入调试；使用ltrace命令处理动态库的调试；使用strace调试系统调用的问题；Valgrind的简要介绍。

1. 动态库注入

如何排除其他library的调用问题？动态库注入（library injection）有可能会让你事半功倍。

一个大型的软件系统，会用到非常多的动态库。那么如果该动态库的一个api调用出了问题，而调用该api的地方非常非常多，不同的调用都分散的记录在不同的log里。那么，如何快速的找到是哪个调用者出的问题？ 当然我们可以通过动态库注入的方式去调试。

下面的代码hook了两个常见的函数memcpy和socket：

void _init(void)
{
  mtrace();
  printf("HOOKing: hello\n");
}

void _fini(void)
{
  printf("HOOKing: goodbye\n");
}

typedef void* (*real_memcpy)(void*, const void*, size_t);
void *memcpy( void *dest, const void*src, size_t size)
{
  real_memcpy real = dlsym((void*)-1, "memcpy");
  printf("Coping from %p to %p, size %d\n", src,dest,size);

  return real(dest, src, size);
}
typedef int (*real_socket)(int socket_family, int socket_type, int protocol);

int socket(int socket_family, int socket_type, int protocol)
{
  printf(" SOCKET family %d, SOCKET type %d, SOECKT protocol %d", socket_family, socket_type, protocol);

  real_socket sock = dlsym((void*)-1, "socket");

 return sock(socket_family, socket_type, protocol );
}

将上述代码编译成动态库后，需要指定环境变量LD_PRELOAD为上述动态库。它的作用是强制load指定的动态库，即使不需要它。你可以在上面的动态库里添加你想要的任何函数。

2. ltrace

ltrace能够跟踪进程的库函数调用,它会显现出哪个库函数被调用。

还是使用hello，world进行简单的了解吧：

#include <stdio.h>
int main ()
{
    printf("Hello world!\n");
    return 0;
}

使用ltrace + 命令可以启动对任何程序的调试，上述hello world的ltrace为：

__libc_start_main(0x8048354, 1, 0xbf869aa4, 0x8048390, 0x8048380 <unfinished ...>
puts("Hello world!"Hello world!
)                                                             = 13
+++ exited (status 0) +++

其实ltrace是一个不用去阅读库的实现代码，而去学习库的整体调用栈的很好的方式。当然了结合代码你可以得到更加详细的实现。

3. strace

strace会跟踪程序系统调用。所以如果是由于程序的系统调用出问题的话，使用strace可以很快的进行问题定位。上述hello world的strace输出为：

execve("./hello", ["./hello"], [/* 30 vars */]) = 0
brk(0)                                  = 0x83d4000
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7f8a000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY)      = 3
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=80846, ...}) = 0
mmap2(NULL, 80846, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7f76000
close(3)                                = 0
open("/lib/libc.so.6", O_RDONLY)        = 3
read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0000?\270"..., 512) = 512
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1576952, ...}) = 0
mmap2(0xb6e000, 1295780, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0xb6e000
mmap2(0xca5000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x137) = 0xca5000
mmap2(0xca8000, 9636, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xca8000
close(3)                                = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7f75000
set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb7f756c0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0
mprotect(0xca5000, 8192, PROT_READ)     = 0
mprotect(0xb6a000, 4096, PROT_READ)     = 0
munmap(0xb7f76000, 80846)               = 0
fstat64(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7f89000
write(1, "Hello world!\n", 13Hello world!
)          = 13
exit_group(0)                           = ?
Process 2874 detached

可以看到strace的输出非常丰富。

4. Valgrind

Valgrind是一款用于内存调试、内存泄漏检测以及性能分析的软件开发工具。

Valgrind包括如下一些工具：

1. Memcheck。这是valgrind应用最广泛的工具，一个重量级的内存检查器，能够发现开发中绝大多数内存错误使用情况，比如：使用未初始化的内存，使用已经释放了的内存，内存访问越界等。这也是本文将重点介绍的部分。
2. Callgrind。它主要用来检查程序中函数调用过程中出现的问题。
3. Cachegrind。它主要用来检查程序中缓存使用出现的问题。
4. Helgrind。它主要用来检查多线程程序中出现的竞争问题。
5. Massif。它主要用来检查程序中堆栈使用中出现的问题。
6. Extension。可以利用core提供的功能，自己编写特定的内存调试工具。

IBM Developer有一篇很好的文章：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-valgrind/