straceの実験(returnのみのプログラム) - へにゃぺんて＠日々勉強のまとめ

最近、straceコマンドを知ったので、簡単なプログラムで試してみます。

straceは、「あるプログラムが発行するシステムコールの内容を表示してくれるコマンド」です。
システムコールは正に、アプリケーションとOSのインタフェースなので、
これを一覧で見せてくれるということは、OSから見たアプリケーションの振る舞いを把握することができます。

対象のプログラム

「まずは一番簡単なものを」ということで、
以下の「returnのみのプログラム」で試してみました。

int main(void)
{
	return 0;
}

結果

結果は下のとおりでした。

$ gcc -Wall -o return return.c
$ strace ./return
execve("./return", ["./return"], [/* 37 vars */]) = 0
brk(0)                                  = 0x8c7d000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7756000
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=93113, ...}) = 0
mmap2(NULL, 93113, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb773f000
close(3)                                = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/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\0\300o\1\0004\0\0\0"..., 512) = 512
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1441960, ...}) = 0
mmap2(NULL, 1456504, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0xb75db000
mprotect(0xb7738000, 4096, PROT_NONE)   = 0
mmap2(0xb7739000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x15d) = 0xb7739000
mmap2(0xb773c000, 10616, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb773c000
close(3)                                = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb75da000
set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb75da8d0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0
mprotect(0xb7739000, 8192, PROT_READ)   = 0
mprotect(0xb7775000, 4096, PROT_READ)   = 0
munmap(0xb773f000, 93113)               = 0
exit_group(0)                           = ?

何をやっているのか

実行結果は24行あり、何も出力しないアプリケーションなので、
行数がそのままシステムコールを呼んだ回数で、24回システムコールを呼んでいることがわかります。

システムコール自体馴染みの薄いものなので、「man 2」を使って一つ一つ見ていきたいと思います。

execve("./return", ["./return"], [/* 37 vars */]) = 0

第1引数で指定されたプログラム("./return")を実行する
第2引数は引数文字列の配列
- これがこのままアプリ側のargvとなる
第3引数は環境変数
- 文字列の配列
- 伝統的に「key=value」の形式
- アプリ側からは、main()の3番目の仮引数で「char *envp[]」とすると取り出せる

成功するとexecveは返らない、エラーの場合は-1を返す
- 成功している様子

brk(0) = 0x8c7d000

プログラム・ブレークの場所を変更
- プログラム・ブレークはプロセスのデータ・セグメントの末尾を示す
- 以上はman 2のコピペ~~、よくわかってない。どゆこと？~~
  - 初期メモリ割り当ての最下アドレス(という認識で良いのか？)(参考より)

Linuxでは成功した場合の戻り値は「プログラムの新しいブレーク」
- ~~どゆこと？~~

参考

メモリー管理の内側

access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)

/etc/ld.so.nohwcapについて、ファイルが存在しているかチェック(F_OK)
無いので-1を返して、errnoにファイルが存在しない旨をセット

mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7756000

mmap2()は、glibcのラッパー関数mmap()から呼び出される
- インタフェースはmmap()と同じ
  - ただし、第6引数にはmmap()ではバイト単位だが、mmap2()では4096バイトを単位として指定する

第1引数は、新しいマッピングの開始アドレス
- NULLが指定されるとカーネルがマッピング開始アドレスを選択する
- NULLでなければ、カーネルはヒントとして使用する
第2引数は、マッピングの長さ(バイト)
第3引数は、マッピングのメモリ保護設定
- PROT_READ: 読み込み可能
- PROT_WRITE: 書き込み可能
第4引数は、マッピングに対する変更が同じファイルをマッピングしているプロセスに見えるかどうかの設定
- MAP_PRIVATE: 他のプロセスへは見えない
- MAP_ANONYMOUS: マッピングはどのファイルとも関連付けされない
第5引数と第6引数は、マッピングされた領域の初期値に関する設定
- 第5引数はファイルディスクリプタで、第6引数はオフセット
- 第5引数で指定されたファイルの、第6引数のオフセットからファイルマッピングが開始される
- 今回はファイルディスクリプタが-1なので、ファイルにはマッピングされず、領域は0で初期化される

返り値はマッピングされた領域へのポインタ

ちゃんと調べてみると、mmapはファイルをメモリへマップするためのシステムコールであって、領域確保はその中の特別な振る舞いなのだとわかる

まとめると、アプリケーションがカーネルへ8192バイトの領域確保をお願い
- カーネルは、アプリケーションから見て0xb7756000から使える領域を確保
- [0xb7756000, 0xb7758000)を確保

参考

mmapとかbrkとか - yarbの日記

access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)

/etc/ld.so.preload が「ファイルが存在して、かつ、読み込み可」であるかをチェック
- そして、カーネルから「ファイルが存在しないよ」と言われている

open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3

/etc/ld.so.cache を読み込み専用で開いている
- ファイルディスクリプタ3番で取得

fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=93113, ...}) = 0

ファイルの状態を返す
ファイルは第1引数にファイルディスクリプタで指定
- 先ほど開いた/etc/ld.so.cacheを指定している
第2引数でファイルの状態を表すstat構造体の先頭アドレスを返す
- 2つ以降はstraceの出力では省略
  - st_mode: アクセス保護
    - S_IFREG: 通常のファイル
    - 0644は保護モード(？)
  - st_size: ファイルの大きさ(バイト)
    - 93113バイト

戻り値は成功した場合に0
- 成功している

mmap2(NULL, 93113, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb773f000

/etc/ld.so.cache(ファイルディスクリプタ3番)をマッピング
- マッピングの長さとして、fstat64()で取得した「ファイルの大きさ(93113バイト)」を使用

マッピングに成功し、ポインタ0xb773f000を返している
- [0xb773f000, 0xb7755bb9)の領域をマッピング

close(3) = 0

/etc/ld.so.cache(ファイルディスクリプタ3番)を閉じている

成功して、0を返している

access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)

/etc/ld.so.nohwcapが存在するかチェック

存在しない

open("/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6", O_RDONLY) = 3

/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6を読み込み専用で開く

ファイルディスクリプタ3番
- /etc/ld.so.cacheを閉じたので、同じ3番を使いまわしている

read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0\300o\1\0004\0\0\0"..., 512) = 512

/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6を512バイト読み込む
- 第2引数には読み込む際のバッファの先頭アドレスを指定
  - strace上では中身が表示されている

成功したので読み込んだバイト数(512)を返す

fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1441960, ...}) = 0

/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6の状態を取得
- 通常ファイルで保護モードは0x0755
- ファイルサイズは1441960バイト

成功し、0を返す

mmap2(NULL, 1456504, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0xb75db000

/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6をマッピング
- 第6引数のオフセットが0なので、/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6の先頭からマッピング
- 第2引数の「長さ」が1456504
  - fstat64()で「ファイルサイズは1441960バイト」と取得したのに、なぜ？
    - マッピングの方がファイルよりも14544バイト長い

成功したので、ポインタ0xb75db000を返す
- [0xb75db000, 0xb773e978)の領域をマッピング

mprotect(0xb7738000, 4096, PROT_NONE) = 0

メモリ領域の保護を設定
[0xb7738000, 0xb7739000(=0xb7738000 + 4096 - 1)]の領域を全くアクセスできない(PROT_NONE)ように設定
- /lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6をマッピングした領域の中で一部の領域へはアクセスできないようにしている

成功し、0を返す

mmap2(0xb7739000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x15d) = 0xb7739000

0xb7739000から12288をマッピング
- マッピングの開始アドレス(0xb7739000)は、mprotect()でアクセス不可に設定した領域の直後
- マッピングするファイルは/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6で、オフセット349(0x15d)バイト
- メモリ保護は、読み込み可能(PROT_READ)、かつ書き込み可能(PROT_WRITE)
- 他プロセスに対して、見えない(MAP_PRIVATE)
- 第1引数の0xb7739000は「ヒント」ではなく、直接指定(MAP_FIXED)
- MAP_DENYWRITEのフラグは現在は無視
  - 元々は、マップ元のファイルへ書き込みを行おうとするとエラーで失敗するようシグナルが設定されていた
    - denial-of-service(サービス拒否)攻撃の原因となった

成功し、ポインタ0xb7739000を返す

mmap2(0xb773c000, 10616, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb773c000

0xb773c000から10616バイトをマッピング
- マッピングするファイルは無しなので、領域はゼロクリア
- [0xb773c000, 0xb773e978)は/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6をマッピングした末尾10616バイトの領域
- メモリ保護やその他フラグは0xb7739000と同様

成功し、ポインタ0xb773c000を返す

close(3) = 0

/lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6を閉じる

成功し、0を返す

mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb75da000

4096バイトの領域を確保
メモリ保護は、読み書き可能
他プロセスから見えない
マッピングした領域はゼロクリア

成功し、ポインタ0xb75da000を返す

set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb75da8d0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0

スレッド局所記憶(TLS)領域を設定
- entry_numberは-1を渡すと、set_thread_area()が未使用のTLSエントリを探し、適切なentry_numberを設定してくれる
  - この場合は「6」
- その他のメンバについては要調査
  - man 2 set_thread_areaには載っていなかった

成功し、0を返す

mprotect(0xb7739000, 8192, PROT_READ) = 0

0xb7739000から8192バイトを読み込み専用でメモリ保護
- /lib/i386-linux-gnu/i686/cmov/libc.so.6のオフセット349バイトをマッピングした領域

成功し、0を返す

mprotect(0xb7775000, 4096, PROT_READ) = 0

0xb7775000から4096バイトを読み込み専用でメモリ保護

成功し、0を返す

munmap(0xb773f000, 93113) = 0

0xb773f000から93113バイトのマッピングを消去する
- /etc/ld.so.cacheをマッピングしていた領域

成功し、0を返す

exit_group(0) = ?

プロセス中のすべてのスレッドをexitさせる
- 第1引数はstatus

戻り値は無し
- 値を返さない

所感

straceをまずは簡単なもので試してみたところで、併せて登場したシステムコールコールをman 2で調べてみた
アプリケーションとOSのやり取りの流れは見えてきた
- 今回は何も処理をしないアプリケーションだったので、ダイナミックリンクのライブラリのマッピングが多く見えていた
しかし、そのようにやり取りをする「意図」はソースコードか、あるいは大本の仕組みを理解しないとわからない
- 今回であれば、スタートアップルーチンだろうか