Linux 性能调优系列(十一) 程序为什么卡住了？strace 和 ltrace 带你找到答案
1 | 作者：李晓辉 |
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上一篇我们学习了 perf。perf 依靠硬件性能计数器和软件性能事件，可以帮助我们找到程序的 CPU 时间主要消耗在哪里、哪些函数比较“忙”。 但是，perf 也有自己的关注范围。
比如现在有一个程序突然卡住了：
- 为什么程序卡住不动？
- 为什么一直打开、关闭文件？
- 为什么频繁建立网络连接？
- 为什么大量进行
read()、write()？- 为什么文件明明存在，程序却提示
No such file or directory？- 为什么某个系统调用一直返回
EAGAIN？
这时候，单纯依靠 perf 就不太够了。我们需要换一个角度，看看程序到底在和 Linux 内核做什么交互。这时候就要用到两个经典工具：
strace和ltrace。
可以先记住一句话：
perf 看“哪里最耗资源”，strace 看“程序和内核做了什么”，ltrace 看“程序调用了哪些用户态库函数”。
先搞清楚：系统调用和库函数到底是什么？
在 Linux 中，一个程序运行的时候，可以粗略理解成存在两个主要世界：
- 用户空间（User Space）
- 内核空间（Kernel Space）
我们平时运行的应用程序，例如：
1 | Nginx |
绝大多数代码都运行在用户空间。但是应用程序并不能随意访问所有系统资源。
比如：
- 打开文件
- 读取文件
- 创建进程
- 建立网络连接
- 发送网络数据
- 访问设备
- 修改某些内核状态
这些资源由 Linux 内核统一管理。所以应用程序需要通过**系统调用（System Call）**向内核提出请求。可以先简单理解成：
flowchart TB
A["应用程序<br/>Application"] --> B["用户空间<br/>User Space"]
B --> C["库函数<br/>fopen / malloc / printf"]
C --> D["系统调用<br/>openat / read / write / connect"]
D --> E["系统调用入口"]
E --> F["内核空间<br/>Kernel Space"]
F --> G["文件系统"]
F --> H["网络协议栈"]
F --> I["进程管理"]
F --> J["设备驱动"]
C -. "ltrace 观察" .-> L["ltrace"]
D -. "strace 观察" .-> S["strace"]这张图里最关键的是：
库函数和系统调用不是一个东西。
库函数和系统调用有什么区别？
我们平时写程序的时候，经常直接使用一些库函数。例如 C 程序：
1 | fopen("/etc/passwd", "r"); |
这里的：
1 | fopen() |
是一个库函数。它通常由 glibc 等用户态库提供。而 Linux 内核真正提供给用户程序的接口，则是系统调用，例如：
1 | openat() |
因此，可以粗略理解为：
1 | fopen() |
但是这里一定要注意一个细节：
库函数和系统调用并不是固定的一对一关系。
一个库函数可能：
- 完全在用户空间执行；
- 调用一个系统调用；
- 调用多个系统调用；
- 先在用户空间完成一些处理，再进入内核。
因此：
ltrace和strace观察的是不同层次。
用户时间和系统时间也不要混淆
在 Linux 性能分析中，我们经常会看到：
1 | User Time |
也就是：
- 用户态 CPU 时间
- 内核态 CPU 时间
User Time
主要指 CPU 在用户空间执行程序代码所消耗的时间。
例如：
1 | 业务代码 |
这些主要属于用户态执行。
System Time
主要指 CPU 在内核空间执行代码所消耗的时间。
例如：
1 | 应用程序 |
这些内核代码运行期间产生的 CPU 时间，就属于系统态 CPU 时间。但这里有一个非常容易产生误解的地方：
系统时间并不等于“所有系统调用花费的时间”。
因为一个系统调用可能很快就返回，也可能在执行过程中阻塞等待。
例如：
1 | read() |
进程等待数据的时候，并不是 CPU 一直在执行这个进程的内核代码。
所以：
系统调用耗时、进程等待时间、CPU 在内核态实际执行的时间，并不是完全相同的概念。
这一点在后面的 strace 分析中非常重要。
strace：看看程序到底和内核做了什么
strace 是 Linux 中非常经典的系统调用跟踪工具。它可以跟踪进程执行的系统调用，并显示：
- 系统调用名称
- 传入参数
- 返回值
- 错误码
- 调用耗时等信息
它特别适合排查：
1 | 文件打不开 |
如果系统没有安装，可以：
1 | [root@localhost ~]# dnf install strace -y |
安装完成之后，就可以开始使用了。
案例 1：直接跟踪一条命令
最简单的使用方式，就是直接把要执行的命令交给 strace。
例如：
1 | [root@localhost ~]# strace uname |
第一次看到这种输出，可能会觉得：
“这都是什么东西？”
别急，我们挑一行来看。
1 | openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 |
可以拆成：
1 | 系统调用： |
返回值 3 表示：
文件打开成功，并返回文件描述符
3。
再看这一行：
1 | access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) |
这里：
1 | -1 |
表示系统调用失败。
而：
1 | ENOENT |
表示：
1 | No such file or directory |
也就是：
文件或目录不存在。
这就是 strace 非常有价值的地方。
我们不需要猜：
“是不是权限问题？”
直接看系统调用返回值，就可以知道内核到底返回了什么。
strace 的输出到底怎么看？
一条典型的 strace 输出：
1 | openat( |
可以简单理解成：
1 | openat() |
如果失败：
1 | openat(AT_FDCWD, "/xxx", O_RDONLY) = -1 ENOENT |
就是：
1 | 调用 openat() |
因此，排查程序异常时，strace 最大的优势之一就是：
你可以直接看到程序向内核提出了什么请求，以及内核返回了什么结果。
案例 2：-e 过滤系统调用
真实程序的系统调用可能非常多。如果全部打印出来：
1 | strace some-program |
很快就会刷屏。
这时候可以使用：
1 | -e |
过滤系统调用。
例如，我们只想观察文件打开：
1 | [root@localhost ~]# strace -e openat cat /etc/passwd |
这样就只关注：
1 | openat() |
相关调用。
如果需要同时观察多个系统调用，可以：
1 | [root@localhost ~]# strace -e trace=openat,read,write,close cat /etc/passwd |
例如：
1 | 怀疑文件问题 |
这时候就可以有针对性地过滤。
为什么生产环境特别需要过滤？
假设一个业务程序一分钟执行几十万次系统调用。你直接：
1 | strace -p 3831 |
那么终端可能瞬间刷出几万行。真正有价值的信息反而被淹没了。所以实际排查时经常是：
1 | 先猜问题类型 |
案例 3：-p 附加到正在运行的进程
前面的方式是：
1 | strace |
但是生产环境通常不是这样。
假设现在：
1 | sshd.service |
程序已经运行了很久。
突然出现：
1 | 请求超时 |
你不可能为了排查问题直接把生产服务停掉重新启动。
这时候可以：
1 | strace -p 3831 |
让 strace 附加到正在运行的进程。
例如看到：
1 | read(5, |
然后很长时间没有继续输出。
这说明：
这个线程当前正在
read()系统调用中等待。
如果看到：
1 | connect(...) |
长时间没有返回，可以进一步关注网络连接。
如果看到：
1 | futex(...) |
则可能涉及线程同步、锁竞争、条件变量等待等情况。
但这里千万不要形成一个误区
看到：
1 | read(...) |
并不意味着：
“问题一定出在 read()。”
例如：
1 | 应用程序 |
所以 strace 首先告诉我们的，是：
程序当前正在做什么、当前阻塞在哪里。
真正的根因，还需要结合：
- 应用程序逻辑
- 文件系统
- 网络
- 线程
- 锁
- 上下游服务
进一步判断。
退出 strace一般情况下可以：
1 | Ctrl + C |
结束 strace 的跟踪。
正常情况下，结束 strace 本身不会主动终止被跟踪的目标进程。
不过生产环境一定要注意：
⚠️ 不要在业务高峰期长时间对核心生产进程进行完整
strace。
因为系统调用跟踪会引入额外开销。尤其是高并发、系统调用非常频繁的程序，更需要谨慎。
案例 4：-c 统计系统调用
如果我们并不关心：
“每一次系统调用具体传了什么参数？”
而更关心：
“这个程序到底调用了哪些系统调用？”
“哪个调用最多？”
“哪个调用累计耗时比较高？”
“哪个系统调用错误最多？”
那么：
1 | -c |
就非常好用了。
例如：
1 | [root@localhost ~]# strace -c uname |
% time该系统调用在 strace 统计到的系统调用时间中所占的比例。
注意：
它不是整个程序 CPU 使用率的百分比。
seconds该系统调用累计花费的时间。
usecs/call平均每次系统调用花费的微秒数。
这个字段很有用。
例如：
1 | read |
说明：
单次调用并不算特别慢，但调用次数非常多。
而如果：
1 | read |
则说明：
调用次数不多，但单次调用可能等待很久。
所以排查系统调用性能时，不能只盯着 % time。
还应该结合：
1 | calls |
一起看。
calls系统调用次数。
例如：
1 | openat 300000 |
说明程序在统计期间执行了大量 openat()。这时候就可以进一步思考：
“为什么这个程序一直在打开文件？”
errors系统调用返回错误的次数。
例如：
1 | openat ... errors=300000 |
那就非常值得进一步排查。
syscall系统调用名称。
为什么 strace -c 非常适合做“系统调用画像”？
例如某个业务程序统计结果：
1 | openat 500000 |
这时候你马上就可以得到一个大致画像：
flowchart LR
A["业务程序"] --> B["系统调用画像"]
B --> C["openat<br/>大量调用"]
B --> D["close<br/>大量调用"]
B --> E["read / write<br/>频繁 IO"]
B --> F["connect<br/>频繁网络连接"]
C --> G["重点检查文件打开行为"]
E --> H["重点检查 IO 行为"]
F --> I["重点检查连接复用 / 网络行为"]这就是：
1 | strace -c |
的价值。它不是告诉你每一次发生了什么。而是先帮你建立：
程序系统调用行为的整体画像。
案例 5：-f 跟踪子进程和线程
很多程序并不是只有一个执行实体。
比如：
1 | 父进程 |
或者：
1 | Java |
如果只跟踪最初的目标，可能看不到后续创建出来的执行实体。这时候可以使用：
1 | -f |
例如：
1 | strace -f some-command |
-f 会跟踪目标进程通过 fork()、vfork()、clone() 等机制创建的相关进程/线程执行流。
例如：
1 | strace -fc some-command |
这里：
1 | -f |
负责跟踪相关进程/线程；
1 | -c |
负责最终统计系统调用。
所以：
1 | -fc |
可以简单理解为：
跟踪相关进程/线程，同时最终进行统计汇总。
组合案例：只统计 openat
假设我们已经知道：
“我怀疑这个程序是不是大量打开文件。”
那么没必要观察所有系统调用。直接：
1 | [root@localhost ~]# strace -e openat -c uname |
相当于：
1 | 只关注 openat |
这种组合方式在生产环境临时排查问题时非常实用。
ltrace：看看程序在用户空间调用了什么
前面我们学习了：
strace看系统调用。
但是程序的大量代码其实都运行在用户空间。例如：
1 | malloc(); |
这些通常属于用户态库函数。这时候可以使用：
1 | ltrace |
ltrace 主要用于跟踪程序对动态库函数的调用。
如果系统没有安装：
1 | [root@localhost ~]# dnf install ltrace -y |
安装完成后，可以直接：
1 | [root@localhost ~]# ltrace hostname |
这时候我们看到的不是：
1 | openat() |
而是：
1 | malloc() |
这种用户态库函数调用。
ltrace ltrace 和 strace 到底有什么区别？
可以把它们放到一张图里：
flowchart TB
A["应用程序"]
A --> B["用户空间"]
B --> C["库函数<br/>malloc / strcmp / fopen / printf"]
C --> D["系统调用<br/>openat / read / write / connect"]
D --> E["Linux 内核"]
C -. "ltrace" .-> L["观察用户态库函数"]
D -. "strace" .-> S["观察系统调用"]
E --> F["文件系统"]
E --> G["网络协议栈"]
E --> H["进程管理"]因此：
ltrace 更靠近应用程序。
strace 更靠近 Linux 内核。
ltrace ltrace 的 -S：库函数和系统调用一起看
ltrace 还有一个比较有意思的参数：
1 | -S |
例如：
1 | [root@localhost ~]# ltrace -S hostname |
这样可以让 ltrace 在跟踪库函数的同时，也显示系统调用。于是就可以观察类似：
1 | 用户程序 |
这对于理解：
一个用户态库函数最终如何与内核产生联系
非常有帮助。不过需要注意：
ltrace 在不同程序、不同编译方式、不同库环境下，能够展示的信息可能不同。
例如：
- 符号信息不足；
- 静态链接；
- 自研库；
- 优化后的二进制；
- 特殊运行时环境；
都可能影响跟踪效果。所以实际生产环境中：
strace的使用频率通常明显高于ltrace。
perf、strace、ltrace 到底怎么选？
现在我们已经有三个工具：
flowchart LR
A["Linux 应用程序"]
A --> P["perf"]
A --> S["strace"]
A --> L["ltrace"]
P --> P1["性能事件<br/>CPU / Cache / Branch"]
P1 --> P2["热点函数"]
P2 --> P3["回答：<br/>哪里最耗资源？"]
S --> S1["系统调用<br/>openat / read / write / connect"]
S1 --> S2["参数 / 返回值 / 错误码"]
S2 --> S3["回答：<br/>程序和内核做了什么？"]
L --> L1["用户态库函数<br/>malloc / strcmp / fopen"]
L1 --> L2["动态库调用"]
L2 --> L3["回答：<br/>用户空间调用了什么？"]可以记住一个非常简单的口诀：
CPU 高、想找热点函数 → perf
程序卡住、文件/网络/IO/权限异常 → strace
想观察用户态库函数调用 → ltrace
生产环境到底应该怎么排查？
实际生产环境中，不建议看到问题以后直接：
1 | strace -p PID |
然后让终端刷几万行。更合理的方式是：
flowchart TD
A["发现程序异常"] --> B{"什么问题？"}
B -->|"CPU 使用率高"| C["top"]
C --> D["定位高 CPU 进程"]
D --> E["perf stat"]
E --> F["perf record"]
F --> G["perf report"]
G --> H["定位热点函数"]
B -->|"程序卡住 / 阻塞"| I["strace -p PID"]
I --> J{"当前在哪里？"}
J -->|"文件 / IO"| K["read / write / openat"]
J -->|"网络"| L["connect / recvfrom / sendto"]
J -->|"线程同步"| M["futex 等"]
B -->|"系统调用异常"| N["strace -c"]
N --> O["统计调用次数 / 时间 / 错误"]
O --> P["-e 精确过滤"]
B -->|"怀疑用户态库函数"| Q["ltrace"]
Q --> R["观察库函数调用"]第一步：先确定问题类型
例如：
1 | top |
先确认：
1 | CPU 高？ |
第二步：CPU 高 → perf
如果：
1 | CPU 使用率很高 |
优先：
1 | perf stat |
回答：
CPU 到底消耗在哪段代码？
第三步：程序卡住 → strace
如果程序：
1 | 卡住 |
可以：
1 | strace -p PID |
观察：
当前正在执行或者等待哪个系统调用。
第四步：系统调用行为异常 → strace -c
如果怀疑：
1 | 系统调用太频繁 |
可以：
1 | strace -c -p PID |
先建立整体画像。
然后再：
1 | strace -e trace=openat,read,write,close -p PID |
进一步缩小范围。
第五步：怀疑用户态库 → ltrace
如果问题明显发生在：
1 | 用户空间 |
可以考虑：
1 | ltrace -p PID |
进一步观察库函数调用。
几个生产环境特别值得注意的点
1. 优先使用统计模式
如果只是想了解系统调用分布：
1 | strace -c |
通常比完整打印所有调用更加合适。
2. 不要长时间跟踪核心生产进程
尤其是：
1 | strace -p PID |
系统调用跟踪会给目标进程增加额外开销。
所以生产环境更推荐：
1 | 短时间 |
而不是：
1 | 长时间 |
3. 先过滤，再观察
不要一上来：
1 | strace -p PID |
让终端刷屏。
先思考：
1 | 怀疑文件？ |
然后：
1 | -e trace=... |
精准过滤。
4. 错误码往往是排查问题的突破口
例如：
1 | ENOENT |
这些信息往往非常有价值。因为 strace 能直接告诉你：
程序向内核请求了什么，以及内核最终返回了什么。
把 perf、strace、ltrace 串起来
到这里，我们已经学习了三个非常重要的 Linux 性能分析工具。可以把它们理解成三个不同的“摄像机”。
flowchart TB
A["Linux 应用程序"]
A --> P["perf"]
A --> S["strace"]
A --> L["ltrace"]
P --> P1["性能事件"]
P1 --> P2["CPU / Cache / Branch"]
P2 --> P3["热点函数"]
P3 --> P4["哪里最耗资源？"]
S --> S1["系统调用"]
S1 --> S2["参数 / 返回值 / 错误码"]
S2 --> S3["文件 / 网络 / IO / 进程"]
S3 --> S4["程序和内核做了什么？"]
L --> L1["用户态库函数"]
L1 --> L2["glibc / 动态库"]
L2 --> L3["用户空间调用路径"]
L3 --> L4["程序调用了什么？"]三个工具关注的层次不同。
- perf关注：
性能
回答：
CPU 到底忙在哪里？
- strace关注：
系统调用
回答：
程序和 Linux 内核做了什么？
- ltrace关注：
用户态库函数
回答：
程序在用户空间调用了哪些库函数？
完整的 Linux 性能排查思路
如果把前面的知识全部串起来，我们就可以形成这样一套思路：
flowchart TD
A["发现 Linux 性能 / 程序异常"] --> B["top / uptime / vmstat 等"]
B --> C{"主要问题是什么？"}
C -->|"CPU 高"| D["perf"]
D --> D1["perf stat"]
D1 --> D2["perf record"]
D2 --> D3["perf report"]
D3 --> D4["热点函数"]
C -->|"程序卡住"| E["strace -p PID"]
E --> E1["观察当前系统调用"]
E1 --> E2["read / write / connect / futex ..."]
C -->|"系统调用异常"| F["strace -c"]
F --> F1["调用次数"]
F --> F2["调用耗时"]
F --> F3["错误数量"]
C -->|"文件问题"| G["strace -e trace=openat,read,write,close"]
C -->|"网络问题"| H["strace -e trace=connect,accept,sendto,recvfrom"]
C -->|"用户态库问题"| I["ltrace"]
D4 --> J["进一步定位代码 / 优化"]
E2 --> J
F1 --> J
F2 --> J
F3 --> J
G --> J
H --> J
I --> J这时候就可以发现：
Linux 性能分析并不是“记几个命令”。
真正重要的是：
看到问题以后，知道下一步应该观察什么。
系列小结
到这里，我们就把这一组 Linux 性能分析工具串起来了。前面我们学习了：
1 | 硬件性能 |
上一篇又学习了：
1 | perf |
这一篇进一步学习：
1 | strace |
最终，我们可以形成这样一个比较完整的思维模型：
flowchart LR
A["Linux 性能问题"]
A --> B["资源层"]
A --> C["性能层"]
A --> D["系统调用层"]
A --> E["用户态库层"]
B --> B1["sysctl / TuneD / cgroup"]
C --> C1["perf"]
C1 --> C2["热点函数"]
D --> D1["strace"]
D1 --> D2["系统调用 / 错误码 / 阻塞"]
E --> E1["ltrace"]
E1 --> E2["库函数调用"]如果说：
top告诉我们“谁有问题”；
那么：
perf告诉我们“CPU 忙在哪里”；
strace告诉我们“程序和内核做了什么”；
ltrace告诉我们“程序在用户空间调用了什么”。
把这几个工具结合起来，我们就不再只是看到：
1 | CPU 400% |
或者：
1 | 程序卡住了 |
而是可以进一步追问：
1 | 谁有问题？ |
这才是 Linux 性能分析真正有价值的地方。
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