監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間通信的技術(shù)原理

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:

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。

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)：

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。

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。