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什么是 tracepoint

tracepoint 的介绍可以参见 Kernel 文档这里。从 Linux 内核 4.7 开始，eBPF 程序可以挂载到内核跟踪点 tracepoint。在此之前，要完成内核中函数跟踪的工作，只能用 kprobes/kretprobe 等方式挂载到导出的内核函数（参见 /proc/kallsyms），正如我们前几篇文章跟踪 open 系统调用方式那样。尽管 kprobes 可以达到跟踪的目的，但存在很多不足：

  1. 内核的内部 API 不稳定，如果内核版本变化导致声明修改，我们的跟踪程序就不能正常工作；
  2. 出于性能考虑，大部分网络相关的内层函数都是内联或者静态的，两者都不能使用 kprobes 方式探测；
  3. 找出调用某个函数的所有地方是相当乏味的，有时所需的字段数据不全具备；

tracepoint 是由内核开发人员在代码中设置的静态 hook 点，具有稳定的 API 接口，不会随着内核版本的变化而变化，可以提高我们内核跟踪程序的可移植性。但是由于 tracepoint 是需要内核研发人员参数编写，因此在内核代码中的数量有限，并不是所有的内核函数中都具有类似的跟踪点，所以从灵活性上不如 kprobes 这种方式。在 3.10 内核中，kprobe 与 tracepoint 方式对比如下：

项目 kprobes tracepoint
跟踪类型 动态 静态
可跟踪数量 100000+ 1200+ （perf list|wc -l)
是否需要内核开发者维护 不需要 需要
禁止的开销 无 少许 （NOPs 和元数据）
稳定的 API 否 是

参考：《BPF Performace Tools》 2.9 Tracepoints，数据有更新。

在我们的内核跟踪程序中，如果存在 tracepoint 方式，我们应该优先使用，这使得跟踪程序具有良好的可移植性。

使用 tracepoint 实现

open 系统调用具有两个 syscalls 类型的静态跟踪点，分别是 syscalls:sys_enter_open 和 syscalls:sys_exit_open，前者是进入函数，后者是从函数返回，功能基本等同于 kprobe/kretprobe。其中 syscalls 表示子系统模块， sys_enter_open 表示跟踪点名称。

tracepoint 的完整列表可以使用 perf 工具的 perf list 命令查看，当然如果知道 tracepoint 的子系统，也可以进行过滤，比如 perf list 'syscalls:*' 命令只用于显示 syscalls 相关的 tracepoints 。

# perf list|grep open
  syscalls:sys_enter_open                            [Tracepoint event]
  syscalls:sys_exit_open                             [Tracepoint event]

为了在 eBPF 程序中使用，我们还需要知道 tracepoint 相关参数的格式，syscalls:sys_enter_open 格式定义在 /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_open/format 文件中。

$cat /sys/kernel/debug/tracing/events/syscalls/sys_enter_open/format
name: sys_enter_open
ID: 497
format:
	field:unsigned short common_type;	offset:0;	size:2;	signed:0;
	field:unsigned char common_flags;	offset:2;	size:1;	signed:0;
	field:unsigned char common_preempt_count;	offset:3;	size:1;	signed:0;
	field:int common_pid;	offset:4;	size:4;	signed:1;

	field:int nr;	offset:8;	size:4;	signed:1;
	field:const char * filename;	offset:16;	size:8;	signed:0;
	field:int flags;	offset:24;	size:8;	signed:0;
	field:umode_t mode;	offset:32;	size:8;	signed:0;

print fmt: "filename: 0x%08lx, flags: 0x%08lx, mode: 0x%08lx", ((unsigned long)(REC->filename)), ((unsigned long)(REC->flags)), ((unsigned long)(REC->mode))

TRACEPOINT_PROBE 宏

对于 tracepoint 的跟踪，在 BCC 中可以使用 TRACEPOINT_PROBE 宏进行定义。宏的格式如下：

TRACEPOINT_PROBE(category, event)

其中 category 就是子系统，event 代表事件名。对于 syscalls:sys_enter_open 则为：

TRACEPOINT_PROBE(syscalls,sys_enter_open)

注意子模块中的 syscalls 的名字最后包含 s。

tracepoint 中的所有参数都会包含在一个固定名称的 args 的结构体中。格式在上面我们已经进行了输出（/sys/kernel/debug/tracing/events/category/event/format）。args 结构体还可以作为内核函数中传递 ctx 参数的替代，比如使用 perf_submit 的第一个参数。

对于 args 参数的详细定义，我们将在后续章节进行展开讨论。

tracepoint 版本

基础知识已经完成了铺垫，这里我们就将 perf_event 版本 代码进行少许调整，我们主要是将 BPF 程序中的 trace_syscall_open 函数进行替换即可。替换后的代码如下：

TRACEPOINT_PROBE(syscalls,sys_enter_open){
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    struct event_data_t evt = {};

    evt.pid = pid;
    bpf_probe_read(&evt.fname, sizeof(evt.fname), (void *)args->filename);

    open_events.perf_submit((struct pt_regs *)args, &evt, sizeof(evt));
    return 0;
}

需要注意的是，TRACEPOINT_PROBE 定义的过程中未出现 args 相关的定义，但是我们可以直接使用，这是因为 BCC 协助我们完成了这步工作。另外 args 可以充当函数 ctx 也进行了展示，open_events.perf_submit((struct pt_regs *)args, &evt, sizeof(evt));。

此外，由于 TRACEPOINT_PROBE 完成了 BPF 程序中主动注册的过程，因此原来版本中的 b.attach_kprobe(event=b.get_syscall_fnname("open"), fn_name="trace_syscall_open") 也不再需要。调整后的完整代码如下，在线版本参考这里：

#!/usr/bin/python
from bcc import BPF

prog = """
#include <uapi/linux/limits.h> // for  NAME_MAX

struct event_data_t {
    u32 pid;
    char fname[NAME_MAX];  // max of filename
};

BPF_PERF_OUTPUT(open_events);

// 1. 原来的函数 trace_syscall_open 被 TRACEPOINT_PROBE 所替代
TRACEPOINT_PROBE(syscalls,sys_enter_open){  
    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    struct event_data_t evt = {};

    evt.pid = pid;
    bpf_probe_read(&evt.fname, sizeof(evt.fname), (void *)args->filename);

    open_events.perf_submit((struct pt_regs *)args, &evt, sizeof(evt));
    return 0;
}
"""

b = BPF(text=prog)

# 2. 不需要在显示调用注册，该行被删除
# b.attach_kprobe(event=b.get_syscall_fnname("open"), fn_name="trace_syscall_open")

# process event
def print_event(cpu, data, size):
  event = b["open_events"].event(data)
  print("Rcv Event %d, %s"%(event.pid, event.fname))

# loop with callback to print_event
b["open_events"].open_perf_buffer(print_event)
while True:
    try:
        b.perf_buffer_poll()
    except KeyboardInterrupt:
        exit()

args 参数揭秘

对于 TRACEPOINT_PROBE 中出现的 args 我们还是抱有一种好奇的心理，这到底是怎么样的一个结构体定义呢？

在 Python 代码中的 BPF 对象（b = BPF(text=prog)） 中包含了一定的调试的功能，我们可以通过调试功能来一览 args 的面目。BPF 对象的完整语法如下，参见这里。：

BPF({text=BPF_program | src_file=filename} [, usdt_contexts=[USDT_object, ...]] [, cflags=[arg1, ...]] [, debug=int])

创建 BPF 对象。它是定义 BPF 程序的主要对象，并与它的输出进行交互。

必须提供 text 或 src_file 中的一个（不是两个）。

cflags 指定要传递给编译器的额外参数，例如 -DMACRO_NAME=value 或 -I/include/path。参数以数组形式传递，每个元素都是一个附加参数。注意，字符串不会被分割成空白，所以每个参数必须是数组中的不同元素，例如：["-include", "header.h"]。

debug 标志控制调试输出，可以通过或操作进行组合。

  • DEBUG_LLVM_IR = 0x1 编译LLVM IR
  • DEBUG_BPF = 0x2 加载BPF字节码和分支上的寄存器状态
  • DEBUG_PREPROCESSOR = 0x4 预处理器结果
  • DEBUG_SOURCE = 0x8 ASM指令嵌入了源码
  • DEBUG_BPF_REGISTER_STATE = 0x10 除 DEBUG_BPF 外，所有指令的寄存器状态
  • DEBUG_BTF = 0x20 打印来自libbpf库的信息。

这里我们为 debug 参数传入 DEBUG_PREPROCESSOR 则可以得到预处理后的完成 BPF 代码。

主要调整如下：

from bcc import DEBUG_PREPROCESSOR  # 变量定义在 bcc 模块中，引入对应的变量

b = BPF(text=prog, debug=DEBUG_PREPROCESSOR) # 会打印出预处理的结果

再次运行程序程序，则可以看到程序运行结果的首部打印出了预编译后的 BPF 程序，这里我们看到了这个神秘的 args 结构题变量的定义，类型为 struct tracepoint__syscalls__sys_enter_open，其中第一个字段为 u64 __do_not_use__;，该字段为 ctx 的保留位置，这也是 args 可以作为 ctx 替代参数的原因。完整预处理结果如下：

#include <uapi/linux/limits.h> // for  NAME_MAX

struct event_data_t {
    u32 pid;
    char fname[NAME_MAX];  // max of filename
};

BPF_PERF_OUTPUT(open_events);

struct tracepoint__syscalls__sys_enter_open {
	u64 __do_not_use__; // for ctx
	int nr;
	const char * filename;
	s64 flags;
	umode_t mode;
};

__attribute__((section(".bpf.fn.tracepoint__syscalls__sys_enter_open")))
TRACEPOINT_PROBE(syscalls,sys_enter_open){

    u32 pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
    struct event_data_t evt = {};

    evt.pid = pid;
    bpf_probe_read(&evt.fname, sizeof(evt.fname), (void *)args->filename);

    bpf_perf_event_output((struct pt_regs *)args, bpf_pseudo_fd(1, -1), CUR_CPU_IDENTIFIER, &evt, sizeof(evt));
    return 0;
}

C 语言版本的 tracepoint 样例参见这里，可以参考上述代码自己定义 args 对应的 struct 结构体。

3. 参考

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