Дескриптор файла (File Descriptor, FD) — это целое число, которое операционная система использует для представления открытых файлов или других объектов ввода/вывода (например, сокетов, канала связи и т. д.). Он служит уникальным идентификатором, с помощью которого процесс взаимодействует с файлом или устройством.

Количество доступных для процесса файловых дескрипторов ограничено значением параметра /OPEN_MAX, который задается в файле sys/limits.h. Также можно настроить максимальное количество дескрипторов с помощью флага -n в команде ulimit. Дескрипторы файлов создаются при вызовах таких функций, как open, pipe, creat и fcntl. Каждый процесс обычно использует свой собственный набор дескрипторов, но эти дескрипторы могут быть унаследованы и дочерними процессами, порожденными через функцию fork. Кроме того, дескрипторы можно копировать с использованием функций fcntl, dup и dup2. Как работает дескриптор файла

Когда процесс открывает файл или устройство (например, с помощью системного вызова open() в Linux), операционная система создает дескриптор файла для отслеживания открытого ресурса. Этот дескриптор служит ссылкой, через которую процесс может читать, записывать или управлять этим ресурсом.

Открытие файла: Когда процесс вызывает функцию открытия файла (например, open()), операционная система возвращает дескриптор, который будет использоваться в дальнейшем для взаимодействия с файлом.
Чтение/запись: После того как процесс получает дескриптор файла, он может использовать его для выполнения операций ввода/вывода, таких как чтение с помощью read() или запись с помощью write().
Закрытие файла: Когда процесс больше не нуждается в файле, он вызывает функцию close() для освобождения дескриптора, и операционная система может закрыть файл.

Пример работы с дескриптором файла (на примере C): #include #include int main() { int fd = open("example.txt", O_RDONLY); // Открываем файл для чтения if (fd == -1) { // Ошибка при открытии файла return 1; } char buffer[100]; ssize_t bytesRead = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // Чтение из файла if (bytesRead == -1) { // Ошибка при чтении close(fd); return 1; } write(STDOUT_FILENO, buffer, bytesRead); // Печать содержимого файла в стандартный вывод close(fd); // Закрытие дескриптора return 0; } Kопировать

В этом примере: open(“example.txt”, O_RDONLY) открывает файл для чтения и возвращает дескриптор fd.read(fd, buffer, sizeof(buffer)) использует дескриптор для чтения данных из файла.write(STDOUT_FILENO, buffer, bytesRead) выводит считанные данные на экран.close(fd) закрывает файл и освобождает дескриптор. Важные типы дескрипторов

Стандартные дескрипторы: Это заранее определенные дескрипторы, которые автоматически открыты для каждого процесса:0 — стандартный ввод (stdin).1 — стандартный вывод (stdout).2 — стандартный вывод ошибок (stderr). Роль дескрипторов в операционных системах

Открытие файлов и устройств: Дескриптор файла — это способ для операционной системы отслеживать открытые файлы и другие ресурсы ввода/вывода. Он позволяет системе управлять правами доступа и выполнять операции ввода/вывода.

Ресурсы ввода/вывода: Помимо файлов, дескрипторы используются для работы с другими объектами ввода/вывода, такими как сокеты, каналы, устройства, и другие файлы, не обязательно физические (например, временные файлы, потоки).

Пример в Linux

В Linux, каждый процесс имеет таблицу дескрипторов файлов, где индекс каждого элемента — это сам дескриптор, а значение элемента — это структура данных, которая хранит информацию о соответствующем открытом ресурсе. Например, когда процесс открывает файл, операционная система присваивает дескриптор, чтобы отслеживать его состояние, и передает этот дескриптор обратно процессу для дальнейшей работы. Дескриптор файла — это основной механизм взаимодействия процессов с файлами и устройствами ввода/вывода в операционных системах, позволяющий системам эффективно управлять ресурсами.

Лабораторная работа: Применение ftrace для анализа работы ядра Linux

Цель работы

Изучить принципы работы с инструментом ftrace для трассировки вызовов функций ядра Linux, освоить базовые методы настройки и анализа данных, полученных с помощью ftrace.

Оборудование и программное обеспечение

Операционная система: Linux (ядро ≥ 3.10, рекомендуется Ubuntu/Debian)
Права: root (для доступа к debugfs)
Утилиты: bash, grep, less
Дополнительно: монтирование debugfs (если не выполнено автоматически)

Теоретическая часть

Что такое ftrace?

ftrace — встроенный в ядро Linux инструмент для трассировки выполнения функций ядра. Он позволяет:

Отслеживать последовательность вызовов функций.
Анализировать время выполнения функций.
Изучать взаимодействие компонентов ядра.
Диагностировать проблемы производительности.

Основные возможности

Function tracer: запись всех вызовов функций.
Function graph tracer: отображение вызовов в виде дерева с указанием времени выполнения.
Event tracing: трассировка конкретных событий ядра (например, переключений задач).
Stack tracer: анализ использования стека ядра.

Расположение интерфейса

Интерфейс ftrace доступен через debugfs в каталоге:
/sys/kernel/debug/tracing/

Ключевые файлы:

current_tracer — выбор активного трейсера.
available_tracers — список доступных трейсеров.
trace — вывод результатов трассировки.
set_ftrace_filter — фильтрация функций для трассировки.
tracing_on — включение/отключение записи трассировки.

Ход работы

Подготовка окружения

Проверка доступности debugfs:
bash
```
ls /sys/kernel/debug/tracing
```
Если каталог отсутствует, смонтируйте debugfs:
bash
```
sudo mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
```
Проверка поддержки ftrace в ядре: Убедитесь, что в конфигурации ядра включены опции:
bash
```
grep CONFIG_FUNCTION_TRACER /boot/config-$(uname -r)
# Должно вернуть: CONFIG_FUNCTION_TRACER=y
```

Задание 1: Базовая трассировка функций

Выбор трейсера:

bash

echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer

Очистка предыдущих данных:
bash
```
echo > /sys/kernel/debug/tracing/trace
```

Включение трассировки:

bash

echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

Выполнение тестовой операции (например, запуск ls):
bash
```
ls / > /dev/null
```

Остановка трассировки:

bash

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

Просмотр результатов:

bash

cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Пример вывода:

# tracer: function
#
#           TASK-PID    CPU#    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |          |         |
             ls-1234   [000]  123456.789: sys_open -> do_sys_open
             ls-1234   [000]  123456.790: do_sys_open <- sys_open

Задание 2: Фильтрация функций

Трассировка конкретной функции (например, do_sys_open):

bash

echo do_sys_open > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter
echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo > /sys/kernel/debug/tracing/trace
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
ls / > /dev/null
echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Анализ вывода: Вывод будет содержать только вызовы do_sys_open и связанные с ней функции.

Задание 3: Граф вызовов (function_graph)

Включение graph-трейсера:

bash

echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo 2 > /sys/kernel/debug/tracing/max_graph_depth  # Ограничение глубины
echo > /sys/kernel/debug/tracing/trace
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

Выполнение операции (например, чтение файла):
bash
```
cat /proc/cpuinfo > /dev/null
```

Просмотр дерева вызовов:

bash

cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

Пример вывода:

# tracer: function_graph
# CPU  DURATION                  FUNCTION CALLS
# |     |   |                     |   |   |   |
0)   0.563 us    |        } /* vfs_read */
0)   1.234 us    |      } /* sys_read */
0) + 10.123 us   |    } /* __x64_sys_read */

Задание 4: Сбор статистики

Включение статистического трейсера:

bash

echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
sleep 5  # Сбор данных в течение 5 секунд
echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

Просмотр статистики:

bash

cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_stat/function0

Пример вывода:

Function                               Hit    Time (ns)  Avg (ns)
--------------                        -----  ---------  ---------
_raw_spin_unlock_irqrestore            120     45000      375.0
finish_task_switch                      80     32000      400.0

Анализ результатов

Function tracer позволяет увидеть последовательность вызовов, но не показывает вложенность.
Function graph демонстрирует иерархию вызовов и время выполнения, что критично для поиска узких мест.
Фильтрация через set_ftrace_filter снижает объем данных и упрощает анализ.
Статистика (trace_stat) помогает выявить "тяжелые" функции по времени выполнения.

Возможные ошибки и решения

Проблема	Решение
Каталог `/sys/kernel/debug/tracing` отсутствует	Выполните `mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug`
Нет записи в `trace` после операции	Проверьте `tracing_on` (должен быть `1`), убедитесь, что трейсер активен
Ошибка `Operation not permitted`	Запустите команды от root (`sudo -i`)

Выводы

ftrace — мощный инструмент для анализа внутренней работы ядра Linux.
Базовые трейсеры (function, function_graph) позволяют отслеживать вызовы функций и выявлять проблемы производительности.
Фильтрация и ограничение глубины трассировки критичны для работы с большими объемами данных.
Инструмент требует осторожности: длительная трассировка может замедлить систему.

Контрольные вопросы

Какие трейсеры доступны в вашей системе?
Проверьте файл /sys/kernel/debug/tracing/available_tracers.
Как остановить трассировку без потери данных?
Запишите 0 в tracing_on, затем прочитайте файл trace.
Почему не рекомендуется использовать ftrace на продакшен-серверах?
Трассировка создает нагрузку на CPU и может нарушить работу системы.

Примечание: Для углубленного анализа рекомендуется использовать графический интерфейс KernelShark, который визуализирует данные ftrace.

Лабораторная работа: Применение ltrace для анализа вызовов библиотечных функций

Цель работы

Изучить принципы работы с инструментом ltrace для трассировки вызовов библиотечных функций в пользовательских приложениях, освоить методы анализа взаимодействия программ с динамическими библиотеками.

Оборудование и программное обеспечение

Операционная система: Linux (Ubuntu/Debian рекомендуется)
Утилиты: ltrace (установка: sudo apt install ltrace), gcc, ldd
Тестовые программы: стандартные утилиты (ls, cat), простые C-программы
Права: обычный пользователь (root не требуется)

Теоретическая часть

Что такое ltrace?

ltrace — инструмент для динамического анализа пользовательских приложений, отслеживающий:

Вызовы функций из динамических библиотек (например, libc.so, libm.so)
Параметры передаваемые в функции
Возвращаемые значения
Время выполнения операций

Отличия от strace/ftrace

Инструмент	Уровень анализа	Пример использования
ltrace	Пользовательский (библиотечные вызовы)	`ltrace ls`
strace	Системные вызовы ядра	`strace ls`
ftrace	Функции ядра Linux	Через debugfs

Как это работает?

ltrace использует механизм ptrace для приостановки процесса.
Перехватывает вызовы через PLT (Procedure Linkage Table).
Анализирует символы в разделяемых библиотеках (требует наличия отладочной информации).

Основные возможности

Отображение аргументов функций (например, printf("Hello"))
Измерение времени выполнения вызовов
Фильтрация по библиотекам/функциям
Трассировка дочерних процессов

Ход работы

Подготовка окружения

Установка ltrace:

bash

sudo apt update && sudo apt install ltrace -y

Проверка поддержки динамической линковки:

bash

ldd /bin/ls | grep libc
# Должно отобразить: libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6

Задание 1: Базовая трассировка

Анализ стандартной утилиты:
bash
```
ltrace ls
```

Пример вывода:

__libc_start_main(0x55a3b3a0a5d0, 1, 0x7ffc1a1b3a88, 0x55a3b3a0a6c0 <unfinished ...>
setlocale(6, "")                                                                 = "en_US.UTF-8"
bindtextdomain("coreutils", "/usr/share/locale")                                = "/usr/share/locale"
textdomain("coreutils")                                                         = "coreutils"
isatty(1)                                                                       = 1
getenv("QUOTING_STYLE")                                                         = NULL

Анализ:
- Видны вызовы из libc (setlocale, getenv)
- Показаны аргументы и возвращаемые значения
- Не отображаются системные вызовы (в отличие от strace)

Задание 2: Расширенная трассировка с опциями

Показ системных вызовов и библиотечных:

bash

ltrace -S ls 2>&1 | grep open

Вывод:

open("/etc/ld.so.cache", 577, 0666)                                            = 3
open("/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", 577, 0666)                              = 3

Измерение времени выполнения:

bash

ltrace -t -c ls

Статистика:

% time     seconds  usecs/call     calls      function
------ ----------- ----------- --------- --------------------
 32.12    0.000123          41         3 __strcmp_ssse3
 28.10    0.000107          53         2 malloc
 15.64    0.000060          20         3 free

Задание 3: Фильтрация вызовов

Трассировка только функций libc:
bash
```
ltrace -e "*@libc.so*" ls
```

Анализ конкретной функции (например, malloc):

bash

ltrace -e malloc ls

Вывод:

malloc(8)                                                                       = 0x564b6d5e8260
malloc(1024)                                                                    = 0x564b6d5e8280
malloc(128)                                                                     = 0x564b6d5e8690

Задание 4: Анализ пользовательской программы

Создание тестовой программы:

// trace_test.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    char *buf = malloc(100);
    printf("Buffer: %p\n", buf);
    free(buf);
    return 0;
}

Компиляция: gcc trace_test.c -o trace_test

Трассировка с детализацией:

bash

ltrace -o trace.log ./trace_test

Содержимое trace.log:

__libc_start_main(0x401136, 1, 0x7ffd9c8a7a28, 0x4011c0 <unfinished ...>
malloc(100)                                                                     = 0x55f51e0d9260
printf("Buffer: %p\n", 0x55f51e0d9260Buffer: 0x55f51e0d9260
)                                          = 21
free(0x55f51e0d9260)                                                            = <void>

Задание 5: Сравнение с strace

Запуск параллельной трассировки:

bash

(strace -e open ls 2>&1) | grep open
(ltrace -S ls 2>&1) | grep open

Различия в выводе:
- strace: показывает сырые системные вызовы
```
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
```
- ltrace: декодирует вызовы через библиотеки
```
open("/etc/ld.so.cache", 577, 0666) = 3
```

Анализ результатов

Ключевые наблюдения:
- ltrace декодирует символы библиотек, делая вывод человекочитаемым
- Показывает контекст вызова (аргументы, возвратные значения)
- Не требует прав root (в отличие от ftrace)
- Не отслеживает статически скомпилированные программы
Ограничения:
- Не работает с программами без отладочной информации
- Не показывает внутренние вызовы внутри библиотек
- Может искажать временные характеристики из-за накладных расходов

Возможные ошибки и решения

Проблема	Причина	Решение
Нет вывода при трассировке	Программа статически скомпилирована	Проверьте через `ldd`
"No symbols found"	Отсутствуют debug-символы	Установите `libc6-dbg`
Трассировка завершается мгновенно	Нет вызовов библиотечных функций	Используйте `-S` для системных вызовов

Выводы

ltrace — незаменимый инструмент для анализа взаимодействия приложений с библиотеками.
Позволяет:
- Отладить проблемы с динамической линковкой
- Оптимизировать использование памяти (анализ malloc/free)
- Изучить скрытые зависимости программы
Комбинирование с strace дает полную картину работы приложения (пользовательский + системный уровень).
Критичен для анализа проприетарного ПО без исходных кодов.

Контрольные вопросы

Почему ltrace не показывает вызовы в статически скомпилированных программах?
Потому что статическая линковка включает код библиотек напрямую в бинарный файл, без использования PLT.
Как определить, какие библиотеки использует программа?
Через ldd <программа> или ltrace -l <программа>.
Чем отличается вывод ltrace -S от обычного strace?
ltrace декодирует параметры системных вызовов через символы библиотек, strace показывает "сырые" аргументы.
Как проанализировать утечку памяти с помощью ltrace?
Трассируйте вызовы malloc/calloc и free, проверяя баланс выделения и освобождения памяти.

Дополнительное задание

Скомпилируйте программу с оптимизацией (gcc -O2):
bash
```
gcc -O2 trace_test.c -o trace_test_opt
```
Сравните вывод ltrace для обычной и оптимизированной версий.
Наблюдение: Оптимизатор может устранить некоторые вызовы (например, malloc), что отразится в трассировке.

Примечание: Для продвинутого анализа рекомендуется комбинировать ltrace с gdb (через ltrace -p <PID>) и использовать ltrace.conf для кастомизации вывода.

Лабораторная работа: Применение ftrace для анализа работы ядра Linux ​

Цель работы ​

Оборудование и программное обеспечение ​

Теоретическая часть ​

Что такое ftrace? ​

Основные возможности ​

Расположение интерфейса ​

Ключевые файлы: ​

Ход работы ​

Подготовка окружения ​

Задание 1: Базовая трассировка функций ​

Задание 2: Фильтрация функций ​

Задание 3: Граф вызовов (function_graph) ​

Задание 4: Сбор статистики ​

Анализ результатов ​

Возможные ошибки и решения ​

Выводы ​

Контрольные вопросы ​

Лабораторная работа: Применение ltrace для анализа вызовов библиотечных функций ​

Цель работы ​

Оборудование и программное обеспечение ​

Теоретическая часть ​

Что такое ltrace? ​

Отличия от strace/ftrace ​

Как это работает? ​

Основные возможности ​

Ход работы ​

Подготовка окружения ​

Задание 1: Базовая трассировка ​

Задание 2: Расширенная трассировка с опциями ​

Задание 3: Фильтрация вызовов ​

Задание 4: Анализ пользовательской программы ​

Задание 5: Сравнение с strace ​

Анализ результатов ​

Возможные ошибки и решения ​

Выводы ​

Контрольные вопросы ​

Дополнительное задание ​

Лабораторная работа: Применение ftrace для анализа работы ядра Linux

Цель работы

Оборудование и программное обеспечение

Теоретическая часть

Что такое ftrace?

Основные возможности

Расположение интерфейса

Ключевые файлы:

Ход работы

Подготовка окружения

Задание 1: Базовая трассировка функций

Задание 2: Фильтрация функций

Задание 3: Граф вызовов (function_graph)

Задание 4: Сбор статистики

Анализ результатов

Возможные ошибки и решения

Выводы

Контрольные вопросы

Лабораторная работа: Применение ltrace для анализа вызовов библиотечных функций

Цель работы

Оборудование и программное обеспечение

Теоретическая часть

Что такое ltrace?

Отличия от strace/ftrace

Как это работает?

Основные возможности

Ход работы

Подготовка окружения

Задание 1: Базовая трассировка

Задание 2: Расширенная трассировка с опциями

Задание 3: Фильтрация вызовов

Задание 4: Анализ пользовательской программы

Задание 5: Сравнение с strace

Анализ результатов

Возможные ошибки и решения

Выводы

Контрольные вопросы

Дополнительное задание