學(xué)習(xí)嵌入式課程的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)_監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)程間通信的技術(shù)原理

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學(xué)習(xí)嵌入式課程的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)_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)錯誤時，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)文既會影響系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)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(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，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 AF_UNIX 域的 socket ，設(shè)定其模式為數(shù)據(jù)報(bào)（ SOCK_DGRAM ）。在這之后，為其綁定一個含路徑的文件名，例如： /var/tmp/receive.unix 。這個文件名被內(nèi)核用于標(biāo)識socket。發(fā)送進(jìn)程創(chuàng)建一個相同模式的 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:

     

#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(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。

   

#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(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，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(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。

     

traced_process = atoi（argv[1]）; /* 從命令行得到監(jiān)視進(jìn)程的PID */              ptrace（PTRACE_ATTACH, traced_process, NULL, NULL）;              wait（&status）;    /* 等待被監(jiān)視進(jìn)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(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，觸發(fā)當(dāng)前程序的運(yùn)行。

     

While （1） {                  /* 等待被監(jiān)視程序調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用或是發(fā)生其它狀態(tài)變化 */                  wait（&status）;                                    /* 如果被監(jiān)視進(jìn)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 */

    被監(jiān)視進(jìn)程的 trace 標(biāo)志被激活后，它的每一次系統(tǒng)調(diào)用都會被內(nèi)核檢查。我們程序也隨之被內(nèi)核用信號通知。使用參數(shù) PTRACE_GETREGS 的 ptrace（） 將獲得截獲的系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)。最重要的參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用號。它保存在了 u_in.orig_eax 中。通過系統(tǒng)調(diào)用號，我們可以確定發(fā)生的是那一個系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用號可以在 Linux 的源代碼中查找。它的定義在 Linux-source-2.6.xx/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S 中。它的部分代碼如下所示：嵌入式常見面試題型, 嵌入式ssel, 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)課程, 天空用嵌入式喇叭, 嵌入式調(diào)試總結(jié), 嵌入式開發(fā)小實(shí)例, 嵌入式單色分屏代碼, 簡單嵌入式系統(tǒng)搭建, 嵌入式開發(fā)和前端, 嵌入式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí), 嵌入式床防護(hù)欄, 嵌入式8位單片機(jī), 嵌入式書桌適應(yīng)嗎, 嵌入式項(xiàng)目技術(shù)點(diǎn), QT不可以在嵌入式, 軟件工程和嵌入式區(qū)別, 嵌入式臺上瓷盆, 昆侖通態(tài)嵌入式教程,

   

.long sys_fstatfs       /* 100 */             .long sys_ioperm             .long sys_socketcall             .long sys_syslog

    在這里，我們最關(guān)心的是 sendto 系統(tǒng)調(diào)用。在 Linux 的內(nèi)核中， sendto 的真實(shí)入口是 socketcall 系統(tǒng)調(diào)用。它是 bind , sendto 等socket相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用的入口。在這個系統(tǒng)調(diào)用中，通過一個 call number 來區(qū)分出 bind ， sendto 等不同的子系統(tǒng)調(diào)用。在我們的程序中，這個 call number 保存在 u_in.ebx 中。 從上面的 syscall_table_32.S 示例代碼就可以看出， socketcall 的系統(tǒng)調(diào)用號是102（從100向下數(shù)兩行）。而 call number 則在 net.h 有定義，我們關(guān)心的 sendto 的 call number 被定義為 SYS_SENDTO ，其絕對值為11。有了這兩個重要的數(shù)據(jù)，我們的程序據(jù)此判斷當(dāng)前發(fā)生的系統(tǒng)調(diào)用是否為 sendto 。這一點(diǎn)表現(xiàn)為代碼：

     

if （u_in.orig_eax == 102 && u_in.ebx == SYS_SENDTO）

    被監(jiān)視進(jìn)程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用和退出系統(tǒng)調(diào)用時，都會觸發(fā) wait（） 返回，使我們的程序有機(jī)會運(yùn)行。因此，我們需要使用 syscall_entry 來記錄當(dāng)前時刻是被監(jiān)視進(jìn)程進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)用，還是退出系統(tǒng)調(diào)用。這是一個開關(guān)量，非常容易理解。 最后，每次處理完，都需要再次調(diào)用參數(shù)為 PTRACE_SYSCALL 的 ptrace ，準(zhǔn)備監(jiān)視下一次的系統(tǒng)調(diào)用。

    上面的程序雖然很簡單，但已經(jīng)可以完整的表現(xiàn)出利用 ptrace 截獲被監(jiān)視進(jìn)程的 sendto 系統(tǒng)調(diào)用的過程。值得補(bǔ)充一點(diǎn)的是，利用 ptrace 也可以獲得 sendto 向外發(fā)送的數(shù)據(jù)。

    sendto 系統(tǒng)調(diào)用的定義是：

  

#include <sys/types.h>         #include <sys/socket.h>         size_t sendto（int s, const void *msg, size_t len, int flags, \                       const struct sockaddr *to, socket len_t tolen）;

    sendto 包含了六個參數(shù)，特別是 msg 參數(shù)指出了發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。參數(shù) to 指出了發(fā)送的目標(biāo)。利用 PTRACE_PEEKDATA 參數(shù)的 ptrace ，監(jiān)視程序?qū)⒖梢垣@得 sendto 的全部的六個參數(shù)。這樣監(jiān)視程序就完全獲得了被監(jiān)視進(jìn)程要向外發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送目標(biāo)。具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)在此不再展開論述。請參考 man ptrace 說明手冊。監(jiān)視系統(tǒng)的體系和應(yīng)用  

    利用上面討論的技術(shù)，我們開發(fā)了可以運(yùn)行在 mips 目標(biāo)板上的監(jiān)視程序，名為 ipcmsg 。它是一個命令行程序。在我們的應(yīng)用環(huán)境中，它的使用方法是：

  

root@host:~$ ipcmsg -p pid -l xxx.xxx.xxx.xxx -b 6000

    pid 是被監(jiān)視進(jìn)程的 pid ，可以通過 ps 命令獲得。 -l 參數(shù)后面指定 PC 主機(jī)的 IP 地址。 -b 參數(shù)指明了接收的端口號。

    最初進(jìn)行監(jiān)視時， ipcmsg 是沒有 IP 地址和端口號參數(shù)的。所有信息是輸出到串口控制臺中。這既影響了運(yùn)行的效率（大量的在串口上的輸出會影響目標(biāo)板的運(yùn)行速度），也不利于信息的處理。由于我們的目標(biāo)板具備以太網(wǎng)接口，我們很容易的想到將 ipcmsg 截獲的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 PC 主機(jī)上。使用 PC 主機(jī)更便于對進(jìn)程間通信的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。在 PC 主機(jī)上，我們使用 wireshark 這個非常流行的開源的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析軟件接收來自目標(biāo)板的信息。整個監(jiān)視系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示：


    圖1 架構(gòu)

     

  



    在實(shí)際的使用過程中，我們使用以太網(wǎng)線將目標(biāo)板與 PC 主機(jī)相連。然后，在目標(biāo)板上啟動 ipcmsg ，并為其指定監(jiān)視進(jìn)程的 pid 。 ipcmsg運(yùn)行后，我們在PC主機(jī)上啟動 wireshark 接收來自 ipcmsg 的數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包中包含了 mips 目標(biāo)板上進(jìn)程間通信的信息。利用我們?yōu)?ipcmsg 專門開發(fā)的 wireshark 插件，在 wireshark 上，我們可以詳細(xì)的分解 ipcmsg 轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)包，非常直觀的分析進(jìn)程間通信的過程和可能存在的問題。下面是 wireshark 分解 ipcmsg 數(shù)據(jù)包的實(shí)際運(yùn)行圖：


    圖2 運(yùn)行圖

     

  

  

    從圖中可以看到，我們從 ipcmsg 獲得了進(jìn)程間通信的方式，參數(shù)（ path 是 AF_UNIX域 socket 地址參數(shù)），方向和內(nèi)容，以及進(jìn)程名稱。這些信息幫助我們對嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。而這一切非常直觀和便于操作。