監視嵌入式系統內進(jìn)程間通信的技術(shù)原理介紹

本文詳細描述了一種利用 ptrace 系統調用，實(shí)現嵌入式系統內部進(jìn)程通信的監視方法，并提供了相應的實(shí)現方案。
概述

復雜的嵌入式系統中，常常同時(shí)運行著(zhù)相當多的進(jìn)程。這些進(jìn)程之間頻繁的進(jìn)行著(zhù)大量的通信動(dòng)作。進(jìn)程的運行狀態(tài)與這些不斷發(fā)生的通信有著(zhù)直接和緊密的聯(lián)系。通過(guò)對進(jìn)程間通信的監視，開(kāi)發(fā)人員可以掌控系統內部運轉的狀態(tài)。發(fā)現錯誤時(shí)，利用獲取到的進(jìn)程間通信的信息，調試工程師更容易發(fā)現問(wèn)題之所在。

但是，嵌入式系統與開(kāi)發(fā)人員的接口往往較為單一。開(kāi)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(kāi)發(fā)人員難以細致準確的觀(guān)察進(jìn)程間的通信。而且對于計算能力薄弱的嵌入式系統來(lái)說(shuō)，在終端上打印出通信報文既會(huì )影響系統內部的運行，同時(shí)，也會(huì )使屏幕上充斥的過(guò)多的無(wú)用信息，使開(kāi)發(fā)人員的分析工作無(wú)從下手。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在嵌入式 Linux 的平臺上，我們開(kāi)發(fā)了一整套用于監視嵌入式系統內進(jìn)程間通信的軟件，用于調試我們開(kāi)發(fā)的嵌入式產(chǎn)品。本文詳細介紹了監視嵌入式系統內進(jìn)程間通信的技術(shù)原理和實(shí)現監視軟件的推薦方案。

監視方法的基本原理

Linux 中的 ptrace 系統調用是監視進(jìn)程間通信的關(guān)鍵。 ptrace 為我們提供了一種觀(guān)察和控制其它進(jìn)程的方法。利用 ptrace ，我們可以截獲正在運行的進(jìn)程的所有的系統調用。所謂截獲是指，監視程序可以在這些系統調用發(fā)生和退出時(shí)，獲得系統調用的參數，甚至修改參數。這些系統調用包括： read , write , sendto, recv 等等。在 Linux 中，用戶(hù)可以通過(guò)“ man syscalls ”來(lái)查看當前版本的 Linux 所支持的系統調用。

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(lái)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 ，設定其模式為數據報( 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)文件名被內核用于標識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，調用 sendto 向接收進(jìn)程發(fā)送消息。用來(lái)標識接收進(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 系統調用，就可以收到發(fā)送進(jìn)程發(fā)出的消息。

因此，通過(guò) ptrace ，一旦我們接管了被監視進(jìn)程的 sendto 和 recvfrom 系統調用，將使我們能夠截獲到使用這兩個(gè)系統調用進(jìn)行通信的數據。

ptrace 系統調用的定義如下:

它共有四個(gè)參數。 request 的值決定 ptrace 執行什么樣的任務(wù)。 pid 指明被追蹤的進(jìn)程的 id 。 request 參數決定了是否需要一個(gè)有效的 addr 參數，還是僅用 NULL 即可。如果有必要使用有效的 addr 參數，它的含義是被追蹤的進(jìn)程的進(jìn)程空間的偏移量。 data 類(lèi)似于 addr 參數，有時(shí)也可以使用 NULL 來(lái)代替。如果它被使用，它的含義是指向一些數據，這些數據希望被放置到被監視的進(jìn)程的用戶(hù)空間中。

一個(gè)完整的示例代碼將向我們展示監視進(jìn)程間通信的技術(shù)細節和關(guān)鍵點(diǎn)。代碼按前后順序分段說(shuō)明。

為了在程序中使用 ptrace 系統調用，我們需要增加 ptrace.h 頭文件。為了能夠獲得截獲的系統調用的函數入參，我們需要使用 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：

status 用于記錄被監視進(jìn)程的狀態(tài)變化； syscall_entry 記錄被監視進(jìn)程當前是進(jìn)入系統調用，還是從系統調用中返回； u_in 用來(lái)獲得截獲的系統調用的參數； traced_process 則是被監視進(jìn)程的 PID 值。

參數為 PTRACE_ATTACH 的 ptrace 對被監視進(jìn)程在內核中的進(jìn)程結構進(jìn)行修改。使被監視進(jìn)程成為當前程序的子進(jìn)程。一旦被監視進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化， wait() 將返回。程序再次調用 ptrace 。這次的參數為 PTRACE_SYSCALL 。被監視進(jìn)程的進(jìn)程結構再次被修改，其 trace 標志被激活。內核將在被監視進(jìn)程的每一次系統調用時(shí)，觸發(fā)當前程序的運行。