【Linux】BPF学习笔记 - bpftrace开发[7]

bpftrace是基于BPF和BCC构建的开源跟踪程序。 与BCC一样，bpftrace附带了许多性能工具和支持文档。 但是，它也提供了高级编程语言，允许创建功能强大的单行代码和简短的工具。 bpftrace是使用自定义单行代码和简短脚本的临时工具的理想选择，而BCC是复杂工具和守护程序的理想选择

BPFTRACE 组件

bpftrace包含有关工具，手册页和示例文件的文档，以及bpftrace编程教程（单行教程）和编程语言参考指南。 bpftrace工具的扩展名为.bt. 前端使用lex和yacc解析bpftrace编程语言，并使用Clang解析结构。 后端将bpftrace程序编译为LLVM中间表示，然后由LLVM库编译为BPF

一、运行

将执行程序，检测其定义的所有事件。 该程序将一直运行到Ctrl-C或显式调用exit()为止

1. one-liner

以-e参数运行的bpftrace程序称为one-liner

$ bpftrace -e program

2. 文件

可以将程序保存到文件并使用以下命令执行。.bt扩展名不是必需的，但有助于以后识别

$ bpftrace file.bt

也将文件设置为可执行文件(chmod a + x file.d)并像运行其他程序一样运行. 注意 bpftrace必须由root用户执行

$ sudo ./file.bt

二、程序结构

在文件顶部放置解释行

#!/usr/local/bin/bpftrace

bpftrace程序是一系列具有相关操作的探针(probes)，当probes将执行相关的操作, 之前可以包含一个可选的过滤器表达式. 只有在过滤器表达式为true时，才会触发该操作

probes { actions }
// 可选的过滤器表达式
probes /filter/ { actions }
...

1. Probe

探针以探针类型名称开头，然后以冒号分隔的层次结构

type:identifier1[:identifier2[...]]

层次结构由探针类型定义，例如:

• kprobe探针类型检测内核函数调用，只需要一个标识符：内核函数名
• uprobe探针类型用于检测用户级别的函数调用，并且需要binary路径和函数名称

kprobe:vfs_read
uprobe:/bin/bash:readline

可以使用逗号分隔符指定多个探针以执行相同的操作. 有两种不需要额外标识符的特殊探针类型：bpftrace程序的开头和结尾均使用BEGIN和END触发

probe1,probe2,... { actions }

a. Probe 通配符

**示例：**将检测所有以vfs_开头的kprobes(内核函数)

kprobe:vfs_*

检测过多的探针可能会导致不必要的性能开销。 为了避免意外发生，bpftrace具有将启用的可调的最大探针数，可以通过BPFTRACE_MAX_PROBES环境变量（当前默认为5125）进行设置

您可以在使用bpftrace -l之前测试通配符

$ bpftrace -l 'kprobe:vfs_*'
kprobe:vfs_fallocate
kprobe:vfs_truncate
[...]
$ bpftrace -l 'kprobe:vfs_*' | wc -l
56

2. Filters

过滤器是布尔表达式，用于决定是否执行某项操作，例如:

# 仅当pid等于123时，才执行操作
/pid == 123/
# 等同于 pid != 0
/pid/
# 可以与布尔运算符(例如 &&)结合使用
/pid > 100 && pid < 1000/

3. Action

Action可以是单个语句，也可以是多个由分号分隔的语句

{ action one; action two; action three }

语句使用类似于C语言，并且可以操纵变量并执行bpftrace函数调用. 将变量$x设置为42，然后使用printf()打印该变量

{ $x = 42; printf("$x is %d", $x); }

到这里, 我们可以理解以下代码

// 单行， 打印 Hello World!
$ bpftrace -e 'BEGIN { printf("Hello World!\n") }'
// 写作文件形式
#!/usr/local/bin/bpftrace
BEGIN {
    	printf("Hello World!\n");
}

三、变量

共有三种变量类型：built-ins, scratch, 和 maps

1. Built-in

内置变量是bpftrace预先定义和提供的，通常是只读信息源。 其中包括进程号的pid，进程名的comm，时间戳 (以纳秒为单位) 和curtask (当前线程的 task_struct 地址)

变量	含义	变量	含义
pid	进程ID	retval	返回值
tid	线程ID	func	trace函数名
uid	用户ID	probe	probe的全名
nsecs	纳秒级时间戳	kstack	多行字符串的形式返回内核级堆栈跟踪
cpu	处理器ID	ustack	多行字符串的形式返回用户级堆栈跟踪
comm	process name	args	参数

a. 位置参数

通过命令行传递给程序的，并且基于Shell脚本中使用的位置参数, $1表示第一个参数，$2表示第二个参数，以此类推

格式

bpftrace ./watchconn.bt 181
bpftrace -e 'program' 181

**示例1: **监视在命令行上传递的PID ./watchconn.bt 181

BEGIN
{
       printf("Watching connect() calls by PID %d\n", $1);
}

tracepoint:syscalls:sys_enter_connect
/pid == $1/
{
       printf("PID %d called connect()\n", $1);
}

示例2: 默认情况下，它们是整数。 如果将字符串用作参数，则必须通过str()调用对其进行访问

$ bpftrace -e 'BEGIN { printf("Hello, %s!\n", str($1)); }' Reader

2. Scratch

临时变量可用于临时计算，并具有$前缀。 他们的名称和类型是在他们第一次分配时设定的. 这些只能在分配了它们的操作块中使用。 如果在没有赋值的情况下引用变量，则bpftrace将出错

# 将$x声明为整数
$x = 1;
# 将$y声明为字符串
$y = "hello";
# 将$z声明为指向结构task_struct的指针
$z = (struct task_struct *)curtask;

3. Map

映射变量使用BPF map 存储对象，并具有@前缀。 它们可用于全局存储，在操作之间传递数据。

格式:

@name
@name[key]
@name[key1, key2[, ...]]

**示例1：**当probe1触发时，将1分配给@a，然后当probe2触发时，将@a分配给$x。 如果先触发probe1，然后触发probe2，则$x将设置为1，否则将设置为0(未初始化)

probe1 { @a = 1; }
probe2 { $x = @a; }

示例2: 将nsecs内置变量，分配给名为@start的映射，并且将tid(当前线程ID)设为键值, 时间戳为对应的值。 这样一来，线程就可以存储不会被其他线程覆盖的自定义时间戳

@start[tid] = nsecs;

示例3: 其中同时使用pid内置变量和$fd变量作为键

@path[pid, $fd] = str(arg0);

四、函数

1.内置函数

除了用于打印格式化输出的printf()，其他内置函数包括

printf(): 输出格式与C语言类似, %d等

printf("%16s %-6d\n", comm, pid)

join(char *arr[]): 将带有空格字符的字符串数组连接起来并打印出来

$ bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_execve { join(args->argv); }'
Attaching 1 probe...
ls -l
df -h
date
ls -l bashreadline.bt biolatency.bt biosnoop.bt bitesize.bt

str(char *): 从指针返回字符串

$ bpftrace -e 'ur:/bin/bash:readline { printf("%s\n", str(retval)); }'

kstack(mode [, limit]) / ustack: 返回内核级/用户级堆栈

// 通过跟踪block:block_rq_insert跟踪点，显示导致创建块I/O的前三个内核框架
$ bpftrace -e 't:block:block_rq_insert { @[kstack(3), comm] = count(); }'
// mode参数允许堆栈输出采用不同的格式。 当前仅支持两种模式：bpftrace (默认模式) 和 perf，其生成的堆栈格式类似于Linux perf
$ bpftrace -e 'k:do_nanosleep { printf("%s", ustack(perf)); }'

ksym(), usym() : 将地址解析为其符号名称

$ bpftrace -e 'tracepoint:timer:hrtimer_start { @[args->function] = count(); }'
[...]
@[-1169114960]: 2517
@[-1169048384]: 8237”
// 这些是原始地址, 使用ksym()将它们转换为内核函数名称
$ bpftrace -e 'tracepoint:timer:hrtimer_start { @[ksym(args->function)] = count(); }'
[...]
@[it_real_fn]: 2269
@[hrtimer_wakeup]: 7714
@[tick_sched_timer]: 27092

system(format[, arguments ...]): 在shell上运行命令

$ bpftrace --unsafe -e 't:syscalls:sys_enter_nanosleep { system("ps -p %d\n", pid); }'
Attaching 1 probe...
  PID TTY          TIME CMD
 1148 ?        00:02:43 google_osconfig
  PID TTY          TIME CMD
 1148 ?        00:02:43 google_osconfig
  PID TTY          TIME CMD
 1148 ?        00:02:43 google_osconfig

2. Map 函数

map 也可以分配给特殊功能，这些以自定义方式存储和打印数据。

count(): 计数事件，在打印时将打印计数。 这使用了per-CPU map，@x成为类型计数的特殊对象

$ bpftrace -e 'tracepoint:block:* { @[probe] = count(); }'
Attaching 18 probes...
^C

@[tracepoint:block:block_rq_issue]: 1
@[tracepoint:block:block_rq_insert]: 1
@[tracepoint:block:block_dirty_buffer]: 24
[...]

// 使用interval 探针, 可以打印每个间隔的速率
$ bpftrace -e 'tracepoint:block:block_rq_i* { @[probe] = count(); }
    interval:s:1 { print(@); clear(@); }'
Attaching 3 probes...
@[tracepoint:block:block_rq_issue]: 1
@[tracepoint:block:block_rq_insert]: 1

@[tracepoint:block:block_rq_insert]: 6
@[tracepoint:block:block_rq_issue]: 8
[...]

sum(), avg(), min(), max(): 存储基本统计信息

@y = sum($x);

hist(int n): 将$x存储在$2^n$的直方图中，并且在打印时将打印存储区计数和ASCII直方图

$ bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_exit_read { @ret = hist(args->ret); }'
Attaching 1 probe...
^C

@ret:
(..., 0)             237 |@@@@@@@@@@@@@@                                      |
[0]                   13 |                                                    |
[1]                  859 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[2, 4)                57 |@@@                                                 |
[4, 8)                 5 |                                                    |
[...]

lhist(int n, int min, int max, int step): 这会将值存储为线性直方图

$ bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_exit_read { @ret = lhist(args->ret, 0, 1000, 100); }'
Attaching 1 probe...
^C

@ret:
(..., 0)             101 |@@@                                                 |
[0, 100)            1569 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[100, 200)             5 |                                                    |
[200, 300)             0 |                                                    |
[...]

delete(): 从@start map中删除键是 tid 的键/值对

delete(@start[tid]);

clear(), zero(): 清空和置0

clear(@map)
zero(@map)

3. 示例

Timing vfs_read(): 该程序vfsread.bt，测量vfs_read()内核函数中的时间，并将时间打印为直方图（以微秒为单位）

程序一直运行到输入Ctrl-C ，然后打印此输出并终止。 该直方图被命名为"us"，因为它可以打印输出名称，因此可以在输出中包含单位，给map赋予有意义的名称

#!/usr/local/bin/bpftrace

// this program times vfs_read()

// 通过使用kprobe检测其开始并将时间戳记存储在以线程ID为键的@start map中
kprobe:vfs_read
{
       @start[tid] = nsecs;
}
// 使用kretprobe检测其结束并计算增量为vfs_read()内核函数的持续时间. 使用过滤器来确保记录了开始时间
kretprobe:vfs_read
/@start[tid]/
{
       $duration_us = (nsecs - @start[tid]) / 1000;
       @us = hist($duration_us);
       delete(@start[tid]);
}

此脚本可以根据需要进行自定义. 这说明了bpftrace最有用的功能之一。 使用传统的系统工具(如iostat和vmstat)，输出是固定的，无法轻松自定义。 但是用bpftrace，您可以将看到的指标进一步细分为多个部分，并通过其他探针的指标进行增强，直到获得所需的答案为止

@us[pid, comm] = hist($duration_us);
// output
@us[1847, gdbus]:
[1]                    2 |@@@@@@@@@@                                          |
[2, 4)                10 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[4, 8)                10 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|

@us[1630, ibus-daemon]:
[2, 4)                 9 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@                         |
[4, 8)                17 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[...]

五、Probe类型

1. tracepoint - 内核静态插桩

a. 格式

tracepoint_name是跟踪点的全名，包括冒号，它将冒号分隔成自己的类和事件名称的层次结构，例如net:netif_rx

tracepoint:tracepoint_name

b. 参数

跟踪点提供可通过内置args在bpftrace中访问的信息字段。

例如，net:netif_rx有一个称为len的字段，表示可以使用args -> len访问的数据包长度

如果您不熟悉bpftrace和跟踪，则系统调用跟踪点是很好的检测目标。 它们提供了广泛的内核资源使用范围，并具有文档齐全的API。例如: 检测read系统调用的开始和结束

syscalls:sys_enter_read
syscalls:sys_exit_read

对于sys_enter_read跟踪点, 可以使用 -l and -v 查看详情. 如下所示, 其参数应为args-> fd等

$ bpftrace -lv tracepoint:syscalls:sys_enter_read
tracepoint:syscalls:sys_enter_read
    int __syscall_nr;
    unsigned int fd;
    char * buf;
    size_t count;

使用示例:

$ bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_read {
    printf("-> count() by %s PID %d\n", comm, pid); }
  tracepoint:syscalls:sys_exit_read {
    printf("<- count() return %d, %s PID %d\n", args->ret, comm, pid); }'

2. usdt - 用户级静态插桩

a. 格式

usdt可以通过提供完整路径来检测可执行binaries或shared库。 probe_name是binary中的USDT探针名称

usdt:binary_path:probe_name
usdt:library_path:probe_name
usdt:binary_path:probe_namespace:probe_name
usdt:library_path:probe_namespace:probe_name

在不指定探针namespace的情况下，它的默认名称与binary或库的名称相同。 如果它有许多不同的探针，则必须有namespace。 一个示例是libjvm（JVM库）中的hotspot namespace 探针。 例如（完整库路径被截断）

usdt:/.../libjvm.so:hotspot:method__entry

b. 参数

USDT探针的任何参数都可以作为内置args的成员使用，可以使用-l列出binary中的可用探针

$ bpftrace -l 'usdt:/usr/local/cpython/python'
usdt:/usr/local/cpython/python:line
usdt:/usr/local/cpython/python:function__entry
[...]

3. kprobe, kretprobe - 内核动态插桩

a. 格式

kprobe表示函数的开始(入口)，而kretprobe表示函数的结束(返回). function_name是内核函数名称。 例如，可以使用kprobe:vfs_read和kretprobe:vfs_read来检测vfs_read()内核函数。

kprobe:function_name
kretprobe:function_name

b. 参数

kprobe的参数: arg0, arg1, …, argN是函数的输入参数，为uint64。 如果它们是C结构的指针，则可以将它们强制转换为该struct.

kretprobe的参数：retval内置函数具有该函数的返回值。 retval始终是uint64; 如果这与该函数的返回类型不匹配，则需要将其强制转换为该类型。

c. 示例

例如，使用kretprobe将vfs_read()返回值（字节或错误值）汇总为直方图

$ bpftrace -e 'kretprobe:vfs_read { @bytes = hist(retval); }'

4. uprobe, uretprobe - 用户级动态插桩

a. 格式

uprobe表示函数的开始(入口)，而uretprobe表示函数的结束(返回)

uprobe:binary_path:function_name
uprobe:library_path:function_name
uretprobe:binary_path:function_name
uretprobe:library_path:function_name

b. 参数

uprobe的参数: arg0, arg1, …, argN是函数的输入参数，为uint64。 如果它们是C结构的指针，则可以将它们强制转换为该struct.

uretprobe的参数: retval内置函数具有该函数的返回值。 retval始终是uint64; 如果这与该函数的返回类型不匹配，则需要将其强制转换为该类型

5. software, hardware

这些是预定义的软件和硬件事件

a. 格式

software:event_name:count
software:event_name:
hardware:event_name:count
hardware:event_name:

软件事件类似于跟踪点，但适用于基于计数的指标和基于样本的检测。 硬件事件是用于处理器级分析的PMC的选择。两种事件类型都可能发生得如此频繁，以至于对每个事件进行检测都会产生大量开销，从而降低系统性能。 通过使用采样和计数字段可以避免这种情况，该字段会触发探针在每个[count]个事件中触发一次。 如果未提供计数，则使用默认值

b. 可用的事件

软件

硬件

6. profile, interval

这些是基于计时器的事件

a. 格式

profile 文件类型会在所有CPU上触发，并且可用于采样CPU使用率。 interval 类型仅在一个CPU上触发，可用于打印基于间隔的输出

profile:hz:rate
profile:s:rate
profile:ms:rate
profile:us:rate
interval:s:rate
interval:ms:rate

六、Operators

1. 运算符

=, +, -, *, /, ++, --, &, |, ^, !
// 左移，右移
<<, >>
// 比较
+=, -=, *=, /=, %=, &=, ^=, <<=, >>=

2. 三元运算符

test ? true_statement : false_statement

示例： 计算绝对值

$abs = $x >= 0 ? $x : - $x;

3. IF

当前不支持else if语句。

if (test) { true_statements }
if (test) { true_statements } else { false_statements }

示例： 在IPv4和IPv6上执行不同动作的程序

if ($inet_family == $AF_INET) {
    // IPv4
   ...
} else {
    // IPv6
    ...
}

4. Unrolled 循环

BPF在受限的环境中运行，在该环境中必须能够验证程序是否已结束，并且不会陷入无限循环中。 对于需要某些循环功能的程序，bpftrace通过unroll()支持展开循环.

unroll (count) { statements }

count是一个整数常量，最大为20。不支持将计数作为变量提供，因为必须在BPF编译阶段知道循环迭代的次数