一文搞懂 Ftrace 的實現原理

arm64 棧幀結構

arm64 有31個通用寄存器 r0-r30，用法分別如下：

寄存器	意義
SP	Stack Pointer: 棧指針
r30	Link Register: 在調用函數時候，保存下一條要執行指令的地址
r29	Frame Pointer:保存函數棧的基地址
r28...r19
r18
r17
r16
r15...r9	臨時寄存器
r8	在一些情況下，返回值是通過 r8 返回的
r7...r0	在函數調用過程中傳遞參數和返回值
NZCV	狀態寄存器：N（Negative）負數 Z(Zero) 零 C(Carry) 進位 V(Overflow) 溢出

下面以如下代碼爲例，說明它的棧幀結構：

int fun2(int c,int d)
{
   return0;
}
 
int fun1(int a,int b)
{
   int c = 1;
   int d = 2;
  
   fun2(c, d);
   return0;
}
 
int main(int argc,char **argv)
{
   int a = 0;
   int b = 1;
   fun1(a,b);
}

其反彙編後的結果和對應棧幀結構爲：

其詳細步驟如下：

1. 每個函數在入口處首先會分配棧空間，且一次分配，確定棧頂，之後sp將不再變化；
2. 每個函數的棧頂部存放的是caller的棧頂指針，即fun1的棧頂存放的是main棧頂指針;
3. 對於最後一級callee函數，由於x29保存了上一級caller的棧頂sp指針，因此不在需要入棧保存，如示例中fun2執行時，此時x29指向fun1的棧頂sp

編譯階段

以 blk_update_request 爲例，看下其開啓 Ftrace 前後的反彙編代碼:

可以看出，右圖中多插入了一段【3f3c: 94000000 bl 0 <_mcount>】，那麼是由誰何時插入的呢？

編譯選項 -pg -mrecord-mcoun 會在編譯時，在每個可 trace 的函數插入 bl 0 <_mcount>。

鏈接階段

可以看出編譯階段的【3f3c: 94000000 bl 0 <_mcount>】，在鏈接階段變成了【ffff8000104e43f4: 97ed1fde bl ffff80001002c36c <_mcount>】。

其中 _mcount 函數反彙編爲：

ffff80001002c36c <_mcount>:
ffff80001002c36c:       d65f03c0        ret

運行階段

ftrace_init 執行後的 blk_update_request

可見，內核在 start_kernel 執行時，會調用 ftrace_init，它會將所有可 trace 函數中的 _mcount 進行替換，如上可以看出鏈接階段的 【bl ffff80001002c36c <_mcount>】 已經被替換爲 【nop】 指令。

設定 trace 後的 blk_update_request

先執行如下命令來 trace 函數 blk_update_request：

$echo blk_update_request > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter

$echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer

然後再來查看blk_update_request反彙編代碼：

可以看到之前在 blk_update_request 的 【nop】 指令被替換成 【bl 0xffff80001002c370 <ftrace_caller>】。函數 ftrace_caller 將調用用戶註冊的 trace 函數。

總結

1. 編譯階段。通過編譯選項 -pg -mrecord-mcount 在每個支持 trace 的函數中插入 bl 0 <_mcount> 指令。
2. 鏈接階段。會根據重定位段將 bl 0 <_mcount> 指令地址重定位爲 _mcount 函數地址。
3. 運行階段。

(1). ftrace_init：會將可 trace 函數中的 【bl      0 <_mcount>】 替換爲 【nop】 指令；

(2). 執行 echo blk_update_request > set_ftrace_filter：會使能 blk_update_request 的鉤子函數替換標記（nop 替換爲 ftrace_caller）;

(3). 執行 echo function > current_tracer：將 ftrace_caller 中 ftrace_call 被替換爲 ftrace_ops_no_ops，最終會調用到 function_trace_call。