TLPI 第12章 读书笔记：System and Process Information

笔记和练习博客总目录见开始读TLPI。在本章中我们研究访问各种系统和进程信息的方法。本章的主要重点是讨论 /proc 文件系统。我们还描述了 uname() 系统调用该调用用于检索各种系统标识符。12.1 The /proc File System在早期的 UNIX 实现中通常没有简便的方法可以自省地分析或更改内核的属性以回答如下问题系统上有多少进程在运行它们的所有者是谁一个进程打开了哪些文件当前哪些文件被锁定哪些进程持有这些锁系统上使用了哪些套接字一些早期的 UNIX 实现通过允许特权程序深入内核内存中的数据结构来解决这个问题。然而这种方法存在各种问题。特别是它需要对内核数据结构有专业知识并且这些结构可能会随内核版本的变化而变化这就要求依赖这些结构的程序必须被重写。为了提供更方便的内核信息访问许多现代 UNIX 实现提供了/proc 虚拟文件系统。该文件系统位于 /proc 目录下包含各种暴露内核信息的文件允许进程方便地读取这些信息并在某些情况下使用普通文件 I/O 系统调用进行更改。/proc 文件系统被称为虚拟文件系统是因为它包含的文件和子目录并不存储在磁盘上。相反内核会在进程访问它们时“即时”创建这些文件和目录。在本节中我们概述 /proc 文件系统。在后续章节中我们将描述与每章主题相关的具体 /proc 文件。尽管许多 UNIX 实现提供了 /proc 文件系统但 SUSv3 并未指定该文件系统本书描述的细节是特定于 Linux 的。12.1.1 Obtaining Information About a Process: /proc/PlD对于系统上的每个进程内核都会提供一个对应的目录名为 /proc/PID其中 PID 是该进程的 ID。在这个目录中有各种文件和子目录包含关于该进程的信息。例如我们可以通过查看 /proc/1 目录下的文件来获取关于 init 进程的信息该进程的进程 ID 始终为 1。在每个 /proc/PID 目录中的文件中有一个名为 status 的文件它提供了关于该进程的一系列信息$cat/proc/1/status Name: systemd# Name of command run by this processUmask: 0000 State: S(sleeping)# State of this processTgid:1# Thread group ID (traditional PID, getpid())Ngid:0Pid:1# Actually, thread ID (gettid())PPid:0# Parent process IDTracerPid:0# PID of tracing process (0 if not traced)Uid:0000# Real, effective, saved set, and FS UIDsGid:0000# Real, effective, saved set, and FS GIDsFDSize:128# # of file descriptor slots currently allocatedGroups:# Supplementary group IDsNStgid:1NSpid:1NSpgid:1NSsid:1VmPeak:239548kB# Peak virtual memory sizeVmSize:174012kB# Current virtual memory sizeVmLck:0kB# Locked memoryVmPin:0kB VmHWM:16548kB# Peak resident set sizeVmRSS:16548kB# Current resident set sizeRssAnon:5436kB RssFile:11112kB RssShmem:0kB VmData:21188kB# Data segment sizeVmStk:132kB# Stack sizeVmExe:44kB# Text (executable code) sizeVmLib:12824kB# Shared library code sizeVmPTE:104kB# Size of page table (since 2.6.10)VmSwap:0kB HugetlbPages:0kB CoreDumping:0THP_enabled:1Threads:1# # of threads in this thread’s thread groupSigQ:1/13600# Current/max. queued signals (since 2.6.12)SigPnd: 0000000000000000# Signals pending for threadShdPnd: 0000000000000000# Signals pending for process (since 2.6)SigBlk: 7fe3c0fe28014a03# Blocked signalsSigIgn: 0000000000001000# Ignored signalsSigCgt: 00000001000004ec# Caught signalsCapInh: 0000000000000000# Inheritable capabilitiesCapPrm: 000001ffffffffff# Permitted capabilitiesCapEff: 000001ffffffffff# Effective capabilitiesCapBnd: 000001ffffffffff# Capability bounding set (since 2.6.26)CapAmb: 0000000000000000 NoNewPrivs:0Seccomp:0Seccomp_filters:0Speculation_Store_Bypass: vulnerable SpeculationIndirectBranch: always enabled Cpus_allowed: 1f# CPUs allowed, mask (since 2.6.24)Cpus_allowed_list:0-4# Same as above, list format (since 2.6.26)Mems_allowed: 00000000,...,00000001# Memory nodes allowed, mask (since 2.6.24)Mems_allowed_list:0# Same as above, list format (since 2.6.26)voluntary_ctxt_switches:3800# Voluntary context switches (since 2.6.23)nonvoluntary_ctxt_switches:35000# Involuntary context switches (since 2.6.23)以上输出来自内核 5.15.0。如伴随该文件输出的备注中所示该文件的格式随着时间演变在各个内核版本中添加了新字段在少数情况下也删除了部分字段。(除了上文提到的 Linux 2.6 变化外Linux 2.4 添加了 Tgid、TracerPid、FDSize 和 Threads 字段。)$cat/proc/version Linux version5.15.0-314.193.5.5.el9uek.x86_64(mockbuildhost-100-100-224-97)(gcc(GCC)11.5.020240719(Red Hat11.5.0-11.0.1), GNU ld version2.35.2-67.0.1.el9)#2 SMP Fri Nov 28 07:05:37 PST 2025这个文件内容随时间变化的事实提出了一个关于使用 /proc 文件的一般性问题当这些文件包含多个条目时我们应该采取防御性解析——在这种情况下应查找包含特定字符串的行例如 PPid:的匹配而不是按逻辑行号处理文件。表 12-1 列出了每个 /proc/PID目录中发现的一些其他文件。Table 12-1: Selected files in each /proc/PID directoryFileDescription (process attribute)cmdlineCommand-line arguments delimited by \0cwdSymbolic link to current working directoryenvironEnvironment list NAMEvalue pairs, delimited by \0exeSymbolic link to file being executedfdDirectory containing symbolic links to files opened by this processmapsMemory mappingsmemProcess virtual memory (must lseek() to valid offset before I/O)mountsMount points for this processrootSymbolic link to root directorystatusVarious information (e.g., process IDs, credentials, memory usage, signals)taskContains one subdirectory for each thread in process (Linux 2.6)The /proc/PID/fd directory/proc/PID/fd 目录包含该进程打开的每个文件描述符的一个符号链接。每个符号链接的名称与描述符编号相匹配例如/proc/1968/1 是进程 1968 的标准输出的符号链接。更多信息请参阅第 5.11 节。为了方便任何进程都可以使用符号链接 /proc/self 访问其自身的 /proc/PID 目录。$ls/proc/self/fd0123Threads: the /proc/PID/task directoryLinux 2.4 引入了线程组的概念以正确支持 POSIX 线程模型。由于线程组中的线程有些属性是不同的Linux 2.4 在 /proc/PID 目录下添加了一个任务子目录。对于该进程中的每个线程内核提供一个名为 /proc/PID/task/TID 的子目录其中 TID 是该线程的线程 ID。这与在该线程中调用 gettid() 返回的编号相同。12.1.2 System Information Under /proc/proc 下的各种文件和子目录提供了对系统范围信息的访问。下面的图 12-1 显示了一些这些内容。图 12-1 中显示的许多文件在本书其他地方有描述。表 12-2 总结了图 12-1 中显示的 /proc 子目录的总体用途。Table 12-2: Purpose of selected /proc subdirectoriesDirectoryInformation exposed by files in this directory/procVarious system information/proc/netStatus information about networking and sockets/proc/sys/fsSettings related to file systems/proc/sys/kernelVarious general kernel settings/proc/sys/netNetworking and sockets settings/proc/sys/vmMemory-management settings/proc/sysvipcInformation about System V IPC objects12.1.3 Accessing /proc Files/proc 下的文件通常通过 shell 脚本访问大多数包含多个值的 /proc 文件可以很容易地使用诸如 Python 或 Perl 之类的脚本语言解析。例如我们可以使用 shell 命令修改和查看 /proc 文件的内容如下所示$cat/proc/sys/kernel/pid_max4194304$echo4194303/proc/sys/kernel/pid_max $cat/proc/sys/kernel/pid_max4194303$echo4194304/proc/sys/kernel/pid_max/proc 文件也可以通过程序使用常规文件 I/O 系统调用来访问。访问这些文件时有一些限制一些 /proc 文件是只读的也就是说它们仅用于显示内核信息不能用于修改这些信息。这适用于大多数 /proc/PID 目录下的文件。一些 /proc 文件只能由文件所有者或特权进程读取。例如/proc/PID 下的所有文件都属于拥有相应进程的用户并且在这些文件中的某些文件如 /proc/PID/environ读取权限仅授予文件所有者。除了 /proc/PID 子目录中的文件外/proc 下的大多数文件归 root 所有并且可修改的文件只能由 root 修改。图略Figure 12-1: Selected files and subdirectories under /procAccessing files in /proc/PID/proc/PID 目录是易失性的。这些目录中的每一个都会在具有相应进程 ID 的进程创建时出现并在该进程终止时消失。这意味着如果我们确定某个特定的 /proc/PID 目录存在那么当我们试图打开该目录下的某个文件时需要妥善处理这种情况即该进程可能已经终止并且相应的 /proc/PID 目录在我们打开文件之前就已经被删除了。Example program清单 12-1 演示了如何读取和修改 /proc 文件。该程序读取并显示 /proc/sys/kernel/pid_max 的内容。如果提供了命令行参数程序将使用该值更新该文件。此文件在 Linux 2.6 中新增指定了进程 ID 的上限第 6.2 节。以下是使用该程序的一个示例$cat/proc/sys/kernel/pid_max4194304$ ./procfs_pidmax4194304$ ./procfs_pidmax4000000Old value:4194304/proc/sys/kernel/pid_max now contains4000000Listing 12-1: Accessing /proc/sys/kernel/pid_max// sysinfo/procfs_pidmax.c// 代码略if(argc1){if(lseek(fd,0,SEEK_SET)-1)errExit(lseek);if(write(fd,argv[1],strlen(argv[1]))!(ssize_t)strlen(argv[1]))fatal(write() failed);...} /proc文件系统一定不同于一般的文件系统否则无法理解write一个宽度较小的值何以能覆盖宽度较大的值或者反之。因为/proc是一个虚拟文系统/proc/sys/kernel/pid_max 本质上是一个内核变量接口不是真正的文件。写入时内核只是从中提取数值不关心字符串长度是否一致因此不同长度的字符串完全没问题。12.2 System Identification: uname()uname() 系统调用返回关于应用程序运行的主机系统的一系列识别信息这些信息保存在 utsbuf 指向的结构中。#includesys/utsname.hintuname(structutsname*utsbuf);utsbuf 参数是指向 utsname 结构的指针该结构定义如下#define_UTSNAME_LENGTH65structutsname{charsysname[_UTSNAME_LENGTH];/* Implementation name */charnodename[_UTSNAME_LENGTH];/* Node name on network */charrelease[_UTSNAME_LENGTH];/* Implementation release level */charversion[_UTSNAME_LENGTH];/* Release version level */charmachine[_UTSNAME_LENGTH];/* Hardware on which system is running */#ifdef_GNU_SOURCE/* Following is Linux-specific */chardomainname[_UTSNAME_LENGTH];/* NIS domain name of host */#endif};SUSv3 指定了 uname()但未定义 utsname 结构中各个字段的长度仅要求字符串以空字节终止。在 Linux 上这些字段的长度均为 65 字节包括用于终止空字节的空间。在一些 UNIX 实现中这些字段较短在其他实现例如 Solaris中字段长度可达 257 字节。utsname 结构的 sysname、release、version 和 machine 字段由内核自动设置。在 Linux 中目录 /proc/sys/kernel 中的三个文件提供了与 utsname 结构的 sysname、release 和 version 字段返回的信息相同的访问权限。这些只读文件分别是 ostype、osrelease 和 version。另一个文件 /proc/version 包含这些文件中的相同信息同时还包括关于内核编译步骤的信息即执行编译的用户名称、进行编译的主机名称以及使用的 gcc 版本。nodename 字段返回使用 sethostname() 系统调用设置的值有关此系统调用的详细信息请参阅手册页。通常这个名字类似于系统 DNS 域名的主机名前缀。domainname 字段返回使用 setdomainname() 系统调用设置的值有关此系统调用的详细信息请参阅手册页。这是主机的网络信息服务NIS域名这与主机的 DNS 域名不同。gethostname() 系统调用是 sethostname() 的反向操作用于检索系统主机名。系统主机名也可以使用 hostname(1) 命令和 Linux 特有的 /proc/hostname 文件进行查看和设置。getdomainname() 系统调用是 setdomainname() 的反向操作用于检索 NIS 域名。NIS 域名也可以使用 domainname(1) 命令和 Linux 特有的 /proc/domainname 文件进行查看和设置。sethostname() 和 setdomainname() 系统调用在应用程序中很少使用。通常主机名和 NIS 域名在启动时由启动脚本设置。清单 12-2 中的程序显示了 uname() 返回的信息。运行该程序时我们可能会看到如下示例输出$ ./t_uname Node name: ol9-vagrant System name: Linux Release:5.15.0-314.193.5.5.el9uek.x86_64 Version:#2 SMP Fri Nov 28 07:05:37 PST 2025Machine: x86_64 Domain name:(none)Listing 12-2: Using uname()// sysinfo/t_uname.c// 代码略12.3 Summary/proc 文件系统向应用程序公开了一系列内核信息。每个 /proc/PID 子目录包含提供与 PID 匹配的进程信息的文件和子目录。/proc 下的其他各种文件和目录公开系统范围的信息程序可以读取这些信息并且在某些情况下可以修改这些信息。uname() 系统调用允许我们发现 UNIX 的实现以及应用程序运行的机器类型。Further information关于 /proc 文件系统的更多信息可以在 proc(5) 手册页、内核源文件 Documentation/filesystems/proc.txt 中以及 Documentation/sysctl 目录中的各种文件中找到。12.4 Exercises参见TLPI 第12章 练习System and Process Information。