Linux性能优化（四）——BCC性能监控工具

一、BCC简介

1、BCC简介

BCC是一个Python库，简化了eBPF应用的开发过程，并收集了大量性能分析相关的eBPF应用。BCC为BPF开发提供了不同的前端支持，包括Python和Lua，实现了map创建、代码编译、解析、注入等操作，使开发人员只需聚焦于用C语言开发要注入的内核代码。
BCC工具集大部分工具需要Linux Kernel 4.1以上版本支持，完整工具支持需要Linux Kernel 4.15以上版本支持。
GitHub：https://github.com/iovisor/bcc

2、BCC安装

yum install bcc-tools
export PATH=$PATH:/usr/share/bcc/tools

二、常用命令工具

1、opensnoop

opensnoop通过追踪open()系统调用显示企图打开文件的进程，可以用于定位配置文件或日志文件，或排除启动失败的故障应用。
opensnoop通过动态追踪sys_open()内核函数并更新函数的任何变化，opensnoop需要Linux Kernel 4.5版本支持，由于使用BPF，因此需要root权限。
opensnoop [-h] [-T] [-U] [-x] [-p PID] [-t TID] [-u UID] [-d DURATION] [-n NAME] [-e] [-f FLAG_FILTER]
-h, --help：帮助信息查看
-T, --timestamp：输出结果打印时间戳
-U, --print-uid：打印UID
-x, --failed：只显示失败open系统调用
-p PID, --pid PID：只追踪PID进程
-t TID, --tid TID：只追踪TID线程
-u UID, --uid UID：只追踪UID
-d DURATION, --duration DURATION：追踪时间，单位为秒
-n NAME, --name NAME：只打印包含name的进程
-e, --extended_fields：显示扩展字段
-f FLAG_FILTER, --flag_filter FLAG_FILTER：指定过滤字段，如O_WRONLY

2、execsnoop

execsnoop通过追踪exec系统调用追踪新进程，对于使用fork而不是exec产生的进程不会包括在显示结果中。
execsnoop需要BPF支持，因此需要root权限。
execsnoop [-h] [-T] [-t] [-x] [-q] [-n NAME] [-l LINE] [--max-args MAX_ARGS]
-h：查看帮助信息
-T：打印时间戳，格式HH:MM:SS
-t：打印时间戳
-x：包括失败exec
-n NAME：只打印正则表达式匹配name的命令行
-l LINE：只打印参数中匹配LINE的命令行
--max-args MAXARGS：解析和显示最大参数数量，默认为20个

3、biolatency

biolatency通过追踪块设备IO，记录IO延迟分布，并以直方图显示。biolatency通过动态追踪blk_族函数并记录函数的变化。
biolatency需要BPF支持，因此需要root权限。
biolatency [-h] [-F] [-T] [-Q] [-m] [-D] [interval [count]]
-h Print usage message.
-T：输出包含时间戳
-m：输出ms级直方图
-D：打印每个磁盘设备的直方图
-F：打印每个IO集的直方图
interval：输出间隔
count：输出数量

4、ext4slower

ext4slower通过跟踪ext4文件系统的read、write、open、sync操作，并测量相应操作所耗时间，打印超过阈值的详细信息。默认阈值最小值是10ms，如果阈值为0，则打印所有事件。
ext4slower需要BPF支持，因此需要root权限。
ext4slower可以通过文件系统识别独立较慢的磁盘IO。
ext4slower [-h] [-j] [-p PID] [min_ms]
-h, --help：查看帮助信息
-j, --csv：使用csv格式打印字段
-p PID, --pid PID：只追踪PID进程
min_ms：追踪IO的阈值，默认为10。

5、biosnoop

biosnoop可以追踪设备IO并为每个IO设备打印一行汇总信息。
biosnoop通过动态追踪blk_族函数并记录函数的变化。
biosnoop需要BPF支持，因此需要root权限。
biosnoop [-hQ]
-h：查看帮助信息
-Q：显示在OS队列的耗时

6、cachestat

cachestat用于统计Linux Page的命中率和缺失率，通过动态追踪内核页的cache函数，并更新cache函数的任何变化。
cachestat需要BPF支持，因此需要root权限。
cachestat [-h] [-T] [interval] [count]
-h：查看帮助信息
-T, --timestamp：输出时间戳
interval：输出间隔，单位为秒
count：输出数量

7、cachetop

cachetop用于统计每个进程的Linux Page缓存的命中率和缺失率，通过动态追踪内核页的cache函数，并更新cache函数的任何变化。
cachestat需要BPF支持，因此需要root权限。
cachetop [-h] [interval]
-h：查看帮助信息
interval：输出间隔

PID：进程ID
UID：进程用户ID
HITS：页缓存命中数量
MISSES：页缓存缺失数量
DIRTIES：增加到页缓存的脏页数量
READ_HIT%：页缓存的读命中率
WRITE_HIT%：页缓存的写命中率
BUFFERS_MB：Buffer大小，数据源/proc/meminfo
CACHED_MB：当前页的Cache大小，数据源/proc/meminfo

8、tcpconnect

tcpconnect用于追踪TCP活跃连接数量，通过动态追踪内核tcp_v4_connect和tcp_v6_connect函数，并记录函数内的任何变化。
tcpconnect需要BPF支持，因此需要root权限。
tcpconnect [-h] [-c] [-t] [-x] [-p PID] [-P PORT]
-h：查看帮助信息
-t：打印时间戳
-c：统计每个源IP和目的IP/端口的连接数
-p PID：只追踪PID进程
-P PORT：要追踪的目的端口列表，使用逗号分隔

9、trace

trace用于追踪某个函数调用并打印函数参数或返回值，需要BPF支持，因此需要root权限。
trace [-h] [-b BUFFER_PAGES] [-p PID] [-L TID] [-v] [-Z STRING_SIZE] [-S] [-s SYM_FILE_LIST] [-M MAX_EVENTS] [-t] [-u] [-T] [-C] [-K] [-U] [-a] [-I header] probe [probe ...]
-h：查看帮助信息
-p PID：只追踪PID进程
-L TID：只追踪TID线程
-v：显示生成的BPF程序，调试使用
-z STRING_SIZE：收集字符串参数的长度
-s SYM_FILE_LIST：收集栈大小
-M MAX_EVENTS：打印追踪消息的最大数量
-t：打印时间，单位为秒。
-u：打印时间戳
-T：打印时间列
-C：打印CPU ID
-K：打印每个事件的内核栈
-U：打印每个事件的用户栈
-a：打印序内核栈和用户栈的虚拟地址
-I header：增加header文件到BPF程序
probe [probe ...]：附加到函数的探针
trace '::do_sys_open "%s", arg2'
追踪open系统调用的所有调用方式

trace ':c:malloc "size = %d", arg1'
追踪malloc调用并打印申请分配内存的大小

trace 'u:pthread:pthread_create "start addr = %llx", arg3'
追踪pthread_create函数调用并打印线程启动函数地址

10、deadlock

deadlock用于查找正在运行进程潜在的死锁。deadlock通过附加uprobe事件，需要BPF支持，因此需要root权限。
deadlock [-h] [--binary BINARY] [--dump-graph DUMP_GRAPH] [--verbose] [--lock-symbols LOCK_SYMBOLS] [--unlock-symbols UNLOCK_SYMBOLS] pid
-h, --help：查看帮助信息
--binary BINARY：指定线程库，对于动态链接程序必须指定。
--dump-graph DUMP_GRAPH：导出mutex图到指定文件
--verbose：打印mutex统计信息
--lock-symbols LOCK_SYMBOLS：要追踪的锁的列表，使用逗号分隔，默认为pthread_mutex_lock。
--unlock-symbols UNLOCK_SYMBOLS：要追踪的解锁的列表，使用逗号分隔，默认为pthread_mutex_unlock。
pid：要追踪的进程ID
deadlock 181 --binary /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0
查找进程181中的潜在死锁，如果进程被动态链接程序创建，需要使用--binary指定使用的线程库。

11、memleak

memleak用于追踪和查找内存分配和释放配对，需要Linux Kernel 4.7以上版本支持。
memleak [-h] [-p PID] [-t] [-a] [-o OLDER] [-c COMMAND] [--combined-only] [-s SAMPLE_RATE] [-T TOP] [-z MIN_SIZE] [-Z MAX_SIZE] [-O OBJ] [INTERVAL] [COUNT]
-h：查看帮助信息
-p PID：指定进程PID
-t：追踪所有内存分配和释放请求和结果
-a：输出未释放内存的列表
-z MIN_SIZE：捕获分配内存的最小值
-Z MAX_SIZE：捕获分配内存的最大值
memleak -z 16 -Z 32
只捕获分析分配大小未16字节至32字节间的内存分配

三、BCC编程开发

1、BCC实现原理

BCC是eBPF的一个工具集，是对eBPF提取数据的上层封装，BCC工具编程形式是Python中嵌套BPF程序。Python代码可以为用户提供友好使用eBPF的上层接口，也可以用于数据处理。BPF程序会注入内核，提取数据。当BPF程序运行时，通过LLVM将BPF程序编译得到BPF指令集的elf文件，从elf文件中解析出可以注入内核的部分，使用bpf_load_program方法完成注入。
bpf_load_program注入程序方法加入了复杂的verifier机制，在运行注入程序前，先进行一系列的安全检查，最大限度的保证系统的安全。经过安全检查的BPF字节码使用内核JIT进行编译，生成本机汇编指令，附加到内核特定挂钩的程序。最终内核态与用户态通过高效的map机制进行通信，BCC工具在用户态使用Python进行数据处理。

2、BCC示例实现

Python部分编码需要引入使用的模块和包。
BCC工具的Python部分代码中通过如下方式使用BPF C语言程序代码：
hello_world.py：

#!/usr/bin/python3
from bcc import BPF
bpf_program = '''
int kprobe__sys_clone(void *ctx) 
{ 
    bpf_trace_printk("Hello, World!\\n");
    return 0;
}'''
if __name__ == "__main__":
       BPF(text=bpf_program).trace_print()

kprobe__sys_clone是通过kprobes进行内核动态跟踪的快捷方式，如果C函数以开头kprobe__，则其余部分被视为要检测的内核函数名称。
bpf_trace_printk: 输出
python3 hello_world.py

3、DDOS防御示例

#!/usr/bin/python
from bcc import BPF
import pyroute2
import time
import sys

flags = 0
def usage():
    print("Usage: {0} [-S] <ifdev>".format(sys.argv[0]))
    print("       -S: use skb mode\n")
    print("e.g.: {0} eth0\n".format(sys.argv[0]))
    exit(1)

if len(sys.argv) < 2 or len(sys.argv) > 3:
    usage()

if len(sys.argv) == 2:
    device = sys.argv[1]

if len(sys.argv) == 3:
    if "-S" in sys.argv:
        # XDP_FLAGS_SKB_MODE
        flags |= 2 << 0

    if "-S" == sys.argv[1]:
        device = sys.argv[2]
    else:
        device = sys.argv[1]

mode = BPF.XDP
ctxtype = "xdp_md"

# load BPF program
b = BPF(text = """
#define KBUILD_MODNAME "foo"
#include <uapi/linux/bpf.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/if_packet.h>
#include <linux/if_vlan.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/ipv6.h>

// how to determin ddos
#define MAX_NB_PACKETS 1000
#define LEGAL_DIFF_TIMESTAMP_PACKETS 1000000

// store data, data can be accessd in kernel and user namespace
BPF_HASH(rcv_packets);
BPF_TABLE("percpu_array", uint32_t, long, dropcnt, 256);

static inline int parse_ipv4(void *data, u64 nh_off, void *data_end) {
    struct iphdr *iph = data + nh_off;
    if ((void*)&iph[1] > data_end)
        return 0;
    return iph->protocol;
}
static inline int parse_ipv6(void *data, u64 nh_off, void *data_end) {
    struct ipv6hdr *ip6h = data + nh_off;
    if ((void*)&ip6h[1] > data_end)
        return 0;
    return ip6h->nexthdr;
}

// determine ddos
static inline int detect_ddos(){
    // Used to count number of received packets
    u64 rcv_packets_nb_index = 0, rcv_packets_nb_inter=1, *rcv_packets_nb_ptr;
    // Used to measure elapsed time between 2 successive received packets
    u64 rcv_packets_ts_index = 1, rcv_packets_ts_inter=0, *rcv_packets_ts_ptr;
    int ret = 0;

    rcv_packets_nb_ptr = rcv_packets.lookup(&rcv_packets_nb_index);
    rcv_packets_ts_ptr = rcv_packets.lookup(&rcv_packets_ts_index);
    if(rcv_packets_nb_ptr != 0 && rcv_packets_ts_ptr != 0){
        rcv_packets_nb_inter = *rcv_packets_nb_ptr;
        rcv_packets_ts_inter = bpf_ktime_get_ns() - *rcv_packets_ts_ptr;
        if(rcv_packets_ts_inter < LEGAL_DIFF_TIMESTAMP_PACKETS){
            rcv_packets_nb_inter++;
        } else {
            rcv_packets_nb_inter = 0;
        }
        if(rcv_packets_nb_inter > MAX_NB_PACKETS){
            ret = 1;
        }
    }
    rcv_packets_ts_inter = bpf_ktime_get_ns();
    rcv_packets.update(&rcv_packets_nb_index, &rcv_packets_nb_inter);
    rcv_packets.update(&rcv_packets_ts_index, &rcv_packets_ts_inter);
    return ret;
}

// determine and recode by proto
int xdp_prog1(struct CTXTYPE *ctx) {
    void* data_end = (void*)(long)ctx->data_end;
    void* data = (void*)(long)ctx->data;
    struct ethhdr *eth = data;
    // drop packets
    int rc = XDP_PASS; // let pass XDP_PASS or redirect to tx via XDP_TX
    long *value;
    uint16_t h_proto;
    uint64_t nh_off = 0;
    uint32_t index;
    nh_off = sizeof(*eth);
    if (data + nh_off  > data_end)
        return rc;
    h_proto = eth->h_proto;
    // parse double vlans
    if (detect_ddos() == 0){
        return rc;
    }
    rc = XDP_DROP;
    #pragma unroll
    for (int i=0; i<2; i++) {
        if (h_proto == htons(ETH_P_8021Q) || h_proto == htons(ETH_P_8021AD)) {
            struct vlan_hdr *vhdr;
            vhdr = data + nh_off;
            nh_off += sizeof(struct vlan_hdr);
            if (data + nh_off > data_end)
                return rc;
                h_proto = vhdr->h_vlan_encapsulated_proto;
        }
    }
    if (h_proto == htons(ETH_P_IP))
        index = parse_ipv4(data, nh_off, data_end);
    else if (h_proto == htons(ETH_P_IPV6))
       index = parse_ipv6(data, nh_off, data_end);
    else
        index = 0;
    value = dropcnt.lookup(&index);
    if (value)
        *value += 1;
    return rc;
}
""", cflags=["-w", "-DCTXTYPE=%s" % ctxtype])

fn = b.load_func("xdp_prog1", mode)
b.attach_xdp(device, fn, flags)

dropcnt = b.get_table("dropcnt")
prev = [0] * 256
print("Printing drops per IP protocol-number, hit CTRL+C to stop")
while 1:
    try:
        for k in dropcnt.keys():
            val = dropcnt.sum(k).value
            i = k.value
            if val:
                delta = val - prev[i]
                prev[i] = val
                print("{}: {} pkt/s".format(i, delta))
        time.sleep(1)
    except KeyboardInterrupt:
        print("Removing filter from device")
        break;

b.remove_xdp(device, flags)