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基于 eBPF 的新型追踪工具:bpftrace

这篇文章的内容涉及了 bpftrace 的一些基础,以及它是如何工作的,请继续阅读获取更多的信息和一些有用的实例。

eBPF

eBPF 是一个微型虚拟机,更确切的说是一个位于 Linux 内核中的虚拟 CPU。eBPF 可以在内核空间以一种安全可控的方式加载和运行小型程序,使得 eBPF 的使用更加安全,即使在生产环境系统中。eBPF 虚拟机有自己的指令集架构(ISA),类似于现代处理器架构的一个子集。通过这个 ISA,可以很容易将 eBPF 程序转化为真实硬件上的代码。内核即时将程序转化为主流处理器架构上的本地代码,从而提升性能。

eBPF 虚拟机允许通过编程扩展内核,目前已经有一些内核子系统使用这一新型强大的 Linux 内核功能,比如网络、安全计算、追踪等。这些子系统的主要思想是添加 eBPF 程序到特定的代码点,从而扩展原生的内核行为。

虽然 eBPF 机器语言功能强大,由于是一种底层语言,直接用于编写代码很费力,bpftrace 就是为了解决这个问题而生的。eBPF 提供了一种编写 eBPF 追踪脚本的高级语言,然后在 clang / LLVM 库的帮助下将这些脚本转化为 eBPF,最终添加到特定的代码点。

安装和快速入门

在终端 使用 sudo 执行下面的命令安装 bpftrace:

$ sudo dnf install bpftrace

使用“hello world”进行实验:

$ sudo bpftrace -e 'BEGIN { printf("hello world\n"); }'

注意,出于特权级的需要,你必须使用 root 运行 bpftrace,使用 -e 选项指明一个程序,构建一个所谓的“单行程序”。这个例子只会打印 “hello world”,接着等待你按下 Ctrl+C。

BEGIN 是一个特殊的探针名,只在执行一开始生效一次;每次探针命中时,大括号 {} 内的操作(这个例子中只是一个 printf)

都会执行。

现在让我们转向一个更有用的例子:

$ sudo bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_execve { printf("%s called %s\n", comm, str(args->filename)); }'

这个例子打印了父进程的名字(comm)和系统中正在创建的每个新进程的名称。t:syscalls:sys_enter_execve 是一个内核追踪点,是 tracepoint:syscalls:sys_enter_execve 的简写,两种形式都可以使用。下一部分会向你展示如何列出所有可用的追踪点。

comm 是一个 bpftrace 内建指令,代表进程名;filename 是 t:syscalls:sys_enter_execve 追踪点的一个字段,这些字段可以通过 args 内建指令访问。

追踪点的所有可用字段可以通过这个命令列出:

bpftrace -lv "t:syscalls:sys_enter_execve"
示例用法

bpftrace 的一个核心概念是探针点,即 eBPF 程序可以连接到的(内核或用户空间的)代码中的测量点,可以分成以下几大类:

  • kprobe——内核函数的开始处
    kretprobe——内核函数的返回处
    uprobe——用户级函数的开始处
    uretprobe——用户级函数的返回处
    tracepoint——内核静态追踪点
    usdt——用户级静态追踪点
    profile——基于时间的采样
    interval——基于时间的输出
    software——内核软件事件
    hardware——处理器级事件

所有可用的 kprobe / kretprobe、tracepoints、software 和 hardware 探针可以通过这个命令列出:

$ sudo bpftrace -l

uprobe / uretprobe 和 usdt 是用户空间探针,专用于某个可执行文件。要使用这些探针,通过下文中的特殊语法。profile 和 interval 探以固定的时间间隔触发;固定的时间间隔不在本文的范畴内。

统计系统调用数

映射 是保存计数、统计数据和柱状图的特殊 BPF 数据类型,你可以使用映射统计每个系统调用正在被调用的次数:

$ sudo bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_* { @[probe] = count(); }'

一些探针类型允许使用通配符匹配多个探针,你也可以使用一个逗号隔开的列表为一个操作块指明多个连接点。上面的例子中,操作块连接到了所有名称以 t:syscalls:sysenter_ 开头的追踪点,即所有可用的系统调用。

bpftrace 的内建函数 count() 统计系统调用被调用的次数;@[] 代表一个映射(一个关联数组)。该映射的键 probe 是另一个内建指令,代表完整的探针名。

这个例子中,相同的操作块连接到了每个系统调用,之后每次有系统调用被调用时,映射就会被更新,映射中和系统调用对应的项就会增加。程序终止时,自动打印出所有声明的映射。

下面的例子统计所有的系统调用,然后通过 bpftrace 过滤语法使用 PID 过滤出某个特定进程调用的系统调用:

$ sudo bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_* / pid == 1234 / { @[probe] = count(); }'
进程写的字节数

让我们使用上面的概念分析每个进程正在写的字节数:

$ sudo bpftrace -e 't:syscalls:sys_exit_write /args->ret > 0/ { @[comm] = sum(args->ret); }'

bpftrace 连接操作块到写系统调用的返回探针(t:syscalls:sys_exit_write),然后使用过滤器丢掉代表错误代码的负值(/arg->ret > 0/)。

映射的键 comm 代表调用系统调用的进程名;内建函数 sum() 累计每个映射项或进程写的字节数;args 是一个 bpftrace 内建指令,用于访问追踪点的参数和返回值。如果执行成功,write 系统调用返回写的字节数,arg->ret

用于访问这个字节数。

进程的读取大小分布(柱状图):

bpftrace 支持创建柱状图。让我们分析一个创建进程的 read 大小分布的柱状图的例子:

$ sudo bpftrace -e 't:syscalls:sys_exit_read { @[comm] = hist(args->ret); }'

柱状图是 BPF 映射,因此必须保存为一个映射(@),这个例子中映射键是 comm。

这个例子使 bpftrace 给每个调用 read 系统调用的进程生成一个柱状图。要生成一个全局柱状图,直接保存 hist() 函数到 @(不使用任何键)。

程序终止时,bpftrace 自动打印出声明的柱状图。创建柱状图的基准值是通过 args->ret 获取到的读取的字节数。

追踪用户空间程序

你也可以通过 uprobes / uretprobes 和 USDT(用户级静态定义的追踪)追踪用户空间程序。下一个例子使用探测用户级函数结尾处的 uretprobe ,获取系统中运行的每个 bash 发出的命令行:

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

要列出可执行文件 bash 的所有可用 uprobes / uretprobes, 执行这个命令:

$ sudo bpftrace -l "uprobe:/bin/bash"

uprobe 指向用户级函数执行的开始,uretprobe 指向执行的结束(返回处);readline() 是 /bin/bash 的一个函数,返回键入的命令行;retval 是被探测的指令的返回值,只能在 uretprobe 访问。

使用 uprobes 时,你可以用 arg0..argN 访问参数。需要调用 str() 将 char * 指针转化成一个字符串。

自带脚本

bpftrace 软件包附带了许多有用的脚本,可以在 /usr/share/bpftrace/tools/ 目录找到。

这些脚本中,你可以找到:

  • killsnoop.bt——追踪 kill() 系统调用发出的信号
  • tcpconnect.bt——追踪所有的 TCP 网络连接
  • pidpersec.bt——统计每秒钟(通过fork)创建的新进程
  • opensnoop.bt——追踪 open() 系统调用
  • bfsstat.bt——追踪一些 VFS 调用,按秒统计

你可以直接使用这些脚本,比如:

$ sudo /usr/share/bpftrace/tools/killsnoop.bt

你也可以在创建新的工具时参考这些脚本。

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