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Linux内核的ftrace调试接口 - 学校里面的些许悲哀

[日期:2013-04-06] 来源:  作者: [字体: ]
为了抓住一个自定义的内核函数是如何被执行的,需要一定的调试手段,其实就需要一种跟踪手段就可以了,理论上不太复杂,可是Linux内核的调试接口太多了,始终找不到一个方便的,直到遇到了ftrace,它简单的使用文件系统作为接口,不需要安装任何用户态程序,和杂乱的发行版毫无关系,这正合我意,相比SystemTap等复杂的前置设置等调试手段,简直棒极了。因为我很讨厌为了做一件理论上很简单的事而去花去大量的时间去做前置工作。
        使用文件系统作为接口的优势自然不必多说,它可以将任意复杂的操作映射到既有的简单的读,写,控制,打开,关闭等简单操作上,ftrace的另一个妙点在于其动态二进制修正技术。其实kprobe也是使用了二进制修正技术,然而它做的很硬,而ftrace则使用了GCC内置的mcount机制,通过重载mcount函数来完成对任意函数调用的统计。
        mcount机制是GCC的一个特性,在任何函数调用时,会纪录关于该函数的一些信息。比如以下的程序:
mcount.c:
#include <stdio.h>
void  mcount()
{        
    printf("@@@@\n");
}
gcc -c mcount.c

main.c:
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
extern void mcount(void);
void b(int i)
{
        printf("b:%d\n", i);
}
int a(int i)
{
        b(i);
        return 3;
}
int main()
{
        int i = 3;
        int k = a(i);
        return k;
}
gcc -c main.c -pg
gcc mcount.o main.o -o test

执行test,则会发现每个函数调用都会打印出@@@,这说明我们重载mcount成功了。如果能将mcount做成一个只执行ret的stub函数,或者连call mcount一起都执行nop的stub,那么相当于没有这个mcount函数,如果某个时间用户启用了ftrace,则将上述stub替换为真正的trace函数,那不就可以动态开启/关闭trace功能了么?Linux kernel正是这么做的。要想这么做,stub函数要做的足够灵活,以上面的mcount.c/main.c为例,一个比较灵活但不绝对灵活的设计框架如下:
char code[] = {0xc3, 0x90, 0x90...} //0xc3为直接ret

void mcount()
{
    int (*pf)(void);
    pf = &code[0];
    pf();
}
如果用户开启了trace,则将code进行替换,替换成call real_func的操作码,而real_func不止一个固定的函数,而是可以register的,那么我们就可以根据自己的爱好来任意替换trace函数进而实现任意的trace风格了。Linux内核的做法比我这个要灵活的多,通过回调func的机制,它甚至可以画出一副函数调用图,十分强大。顺便说一句,trace回调函数的实现利用了内核编译时产生的内核函数位置表,它的条目就是函数名和位置这一对映射,trace回调函数会根据当前的地址查到函数名。
        我上述的框架只是一个框架,如果你真的去编译运行了,会发现出现了恶心的segment fault,这是因为如今大多数的内核都实施了data section不可执行,text section不可写的保护功能,如果你硬要那么做,会出现通用保护异常,因此还要做大量的链接脚本的工作。这个费力的事就不说了,说多了都是泪!
        ftrace的核心在于利用了mcount机制以及文件系统机制,它的使用非常简单,只需要挂载debugfs,你就可以任意调试了:
mount -t debugfs debugfs /debug
然后进入/debug/tracing目录,检查available_tracers,看看你当前的kernel支持的trace功能都有哪些,如果有function,说明你的内核支持函数跟踪功能,ftrace支持过滤功能,比如按照内核函数过滤,按照进程过滤。下面是对于一个长ping的trace结果片断:
 0)               |  sys_socketcall() {
 0)               |    copy_from_user() {
 0)               |      _copy_from_user() {
 0)   0.137 us    |        _cond_resched();
 0)   0.457 us    |      }
 0)   0.806 us    |    }
 0)   0.130 us    |    audit_socketcall();
 0)               |    sys_recvmsg() {
 0)               |      sockfd_lookup_light() {
 0)   0.228 us    |        fget_light();
 0)   0.558 us    |      }
 0)               |      __sys_recvmsg() {
 0)               |        _copy_from_user() {
 0)   0.130 us    |          _cond_resched();
 0)   0.405 us    |        }
 0)               |        verify_iovec() {
 0)               |          _copy_from_user() {
 0)   0.129 us    |            _cond_resched();
 0)   0.429 us    |          }
 0)   0.736 us    |        }
 0)               |        sock_recvmsg() {
 0)               |          security_socket_recvmsg() {
 0)               |            apparmor_socket_recvmsg() {
 0)   0.179 us    |              aa_revalidate_sk();
 0)   0.482 us    |            }
 0)   0.945 us    |          }
 0)   0.210 us    |          sock_update_classid();
 0)               |          inet_recvmsg() {

不光可以绘制出函数调用图,其计时统计信息对于性能分析也是很有参考意义的。
        ftrace很强大,不需要你对系统做任何额外的配置,不需要安装额外的软件,直接使用文件系统接口即可。我十分喜欢这个机制,因为我讨厌需要额外配置的机制,那样促使很多人走偏了路,他们在炫耀敲命令的技巧的同时,给了别人很大的压力,其实行内人士都知道,他们的大部分命令都是为了搭建这个trace环境,而不是解决真正的问题,因此这种命令也包括apt-get,你不懂,你就会觉得他很猛!




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