Linux 内核基础：用户空间 vs. 内核空间，系统调用，strace（调试进程）

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Linux 是什么？

在我们调试它之前，必须先定义它。

大多数人对“Linux”这个词的使用都很宽松。

• 严格来说： Linux 是一个 内核——一种低层软件，充当硬件资源管理器。
• 实际来说： Linux 是一个 操作系统 (OS)——内核 加上 用户空间（GNU 工具、如 bash 的 shell、像 glibc 这样的库，以及让计算机可用的应用程序）。

把内核想象成 计算机的独裁者：

关键概念： 现代 CPU（例如 x86‑64）提供称为 保护环 (Protection Rings) 的硬件级安全特性。

保护环概览

系统调用 – 环之间的桥梁

为什么不使用环 1 和环 2？
用户空间（环 3）不能直接触碰硬件，所以必须请求内核来完成。这种请求称为 系统调用——Linux 内核的 API。

系统调用路径

1. 包装函数（glibc） – 你在 C 中写 printf("hello") 或在 Python 中写 print("hello")。此时调用的是 库 函数，尚未进入内核。
2. 寄存器设置 – 库函数将特定的系统调用 ID（例如 write 的 1）放入 CPU 寄存器（通常是 RAX）。
3. 上下文切换（过渡）
   • 传统方式: CPU 执行中断 int 0x80。
   • 现代（快速）方式: CPU 执行 syscall 指令。
     这会强制 CPU 从环 3 切换到环 0，并跳转到内核代码中预定义的位置。
4. 执行 – 内核检查权限（例如，“UID 1000 是否有权限写入 /etc/hosts？”）。如果允许，内核执行相应的硬件任务。
5. 返回 – 内核将结果（或错误码）写入寄存器并发出 sysret，将 CPU 恢复到环 3。

高级概念：vDSO（虚拟动态共享对象）

问题： 切换环是“昂贵的”。像 gettimeofday 这样的调用每秒会发生数千次；每次都进行完整的上下文切换会降低性能。

解决方案： 内核将 只读页的自身内存 直接映射到用户空间。应用程序可以从该页 读取 当前时间，而 无需 触发真实的系统调用或进入内核模式。这种机制就是 vDSO。

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strace – 系统追踪（调试进程）

strace 是 DevOps 的终极调试工具。它会附加到一个进程并打印该进程执行的每一个系统调用，让你能够调试没有源码的“黑盒”二进制文件。

基本用法

# 运行一个命令并追踪它
strace ls /tmp

# 附加到正在运行的进程（例如，卡死的 Web 服务器）
strace -p 1234

典型的输出片段：

openat(AT_FDCWD, "/etc/passwd", O_RDONLY) = 3

• openat – 函数名。
• "/etc/passwd" – 参数（哪个文件？）。
• = 3 – 返回值。正数是 文件描述符（句柄）。

如果看到 = -1，说明调用失败。strace 还会打印错误码，例如 -1 ENOENT (No such file or directory)。

高级 strace 技巧

示例：性能分析输出

% time     seconds  usecs/call     calls    errors syscall
------ ----------- ----------- --------- --------- ----------------
 95.00    0.005000         500        10           futex
  2.00    0.000100          10        10         1 open

高 futex 时间 → 应用大部分时间在等待线程锁 → 并发问题，而不是磁盘问题。

为什么 SRE 必须了解它

• 容器 ≠ 虚拟机：Docker 容器共享宿主机的内核。如果某个容器触发 内核恐慌（Ring 0 崩溃），宿主机以及所有其他容器都会挂掉。隔离是逻辑上的（命名空间），而非物理隔离。
• “Permission denied” 是内核逻辑检查：内核在 open 系统调用期间，将文件的 inode 权限与当前用户的 UID 进行比较。

TL;DR

• Linux = Kernel + Userland
• Kernel runs in Ring 0, user programs in Ring 3.
• System calls are the only way user space talks to the kernel.
• vDSO reduces the cost of frequent, read‑only kernel data.
• strace lets you see every syscall, profile performance, and inject failures.

有了这些知识，你可以从把 Linux 当作黑盒子转变为掌握其内部工作原理——这正是高级 SRE 和内核开发者每天所做的事。

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系统调用与特权级别

延迟——每个系统调用都有代价。高性能代码会尽量减少系统调用（例如，通过在写入前对数据进行缓冲）。

组件概览

strace

• 类型： 调试工具
• 运行于： 用户空间
• 目的： 揭示应用程序的真实行为（系统调用、信号等）。