第一次使用Linux内核的Tracepoint的体验

「爱情、让人受尽委屈。」 2023-01-01 07:52 153阅读 0赞

我并不觉得丢人，一点也不。

我是说我工作这么多年做和Linux内核相关的事，竟然在上上周才第一次使用tracepoint。

这并不奇怪，我不会的东西还多着呢，比方说，我一直强调的，我不会编程，我也不会用git。

言归正传，如果这么多年我都没用过tracepoint，那么作为替代，我用什么呢？

如果我调试内核或者调试内核模块，最最最常用的方法就是在代码里加一条printk(如果是用户态程序，我就加一条printf。)，我来告诉你理由：

*  printk/printf 不需要安装任何别的依赖包。
 *  printk/printf 随手可用，不需要写太多为了重用而过度设计的代码。
 *  printk/printf 对不会编程的人及其友好。
 *  …

所以，我钟爱printk。我不喜欢gdp/crash tool，也不喜欢kprobe/systemtap，更不喜欢bpftrace，当然，我很懂这些东西，只是我觉得它们太复杂，需要记忆的语法太多，就像一个无家可归的流浪汉，不喜欢携带任何负担而已。

扯了这么多，这和tracepoint有毛关系。

有关系，因为我发现在需要添加一条printk的地方添加一个tracepoint工作量差不多，且效果更好。tracepoint更像是添加了一个HOOK，你可以在外面自定义你要做什么，而不仅仅拘泥于printk打印一条消息。

使用tracepoint，如果你只是想达到printk的效果，你可以在/sys/kernel/debug/tracing/trace看到你要打印的信息，如果你还想做点别的，你还可以用eBPF。

类似《史记》太史公曰形而上学的部分在本文最后，现在先给点实际的东西。

在内核代码添加一个tracepoint简单到不必说，只是需要重新编译内核，我给一个在模块里添加tracepoint的Howto吧。

首先给出我要添加tracepoit的内核模块代码：

#include <net/protocol.h>
    #include <linux/ip.h>
    #include <linux/udp.h>
    
    #define IPPROTO_MYPROTO 123
    int myproto_rcv(struct sk_buff *skb)
    { 
        struct udphdr *uh;
        struct iphdr *iph;
    
        iph = ip_hdr(skb);
        uh = udp_hdr(skb);
    
        printk("proto 123\n");
    
        kfree_skb(skb);
        return 0;
    }
    
    static const struct net_protocol myproto_protocol = { 
        .handler = myproto_rcv,
        .no_policy = 1,
        .netns_ok = 1,
    };
    
    int init_module(void)
    { 
        int ret = 0;
        ret = inet_add_protocol(&myproto_protocol, IPPROTO_MYPROTO);
        if (ret) { 
            printk("failed\n");
            return ret;
        }
        return 0;
    }
    void cleanup_module(void)
    { 
        inet_del_protocol(&myproto_protocol, IPPROTO_MYPROTO);
    }
    
    int init_module(void);
    void cleanup_module(void);
    MODULE_LICENSE("GPL");

很现实的例子，这个代码注册了一个和TCP，UDP平级的四层协议，但实际上就是UDP，只是协议号改为了123，我们的预期是当收到这样的协议包时，printk打印出端口。

我现在想用tracepoint替代printk，该怎么办呢？下面是方法。下面是新的代码：

/* * 注意： * 1. CREATE_TRACE_POINTS 必须define * 2. CREATE_TRACE_POINTS 必须在头文件之前define */
    
    #define CREATE_TRACE_POINTS
    #include "test_tp.h"
    
    #include <net/protocol.h>
    #include <linux/ip.h>
    #include <linux/udp.h>
    
    #define IPPROTO_MYPROTO 123
    int myproto_rcv(struct sk_buff *skb)
    { 
        struct udphdr *uh;
        struct iphdr *iph;
    
        iph = ip_hdr(skb);
        uh = udp_hdr(skb);
    
        // 这里增加一个tracepoint点
        trace_myprot_port(uh->dest, uh->source);
    
        kfree_skb(skb);
        return 0;
    }
    
    static const struct net_protocol myproto_protocol = { 
        .handler = myproto_rcv,
        .no_policy = 1,
        .netns_ok = 1,
    };
    
    int init_module(void)
    { 
        int ret = 0;
        ret = inet_add_protocol(&myproto_protocol, IPPROTO_MYPROTO);
        if (ret) { 
            printk("failed\n");
            return ret;
        }
        return 0;
    }
    void cleanup_module(void)
    { 
        inet_del_protocol(&myproto_protocol, IPPROTO_MYPROTO);
    }
    
    int init_module(void);
    void cleanup_module(void);
    MODULE_LICENSE("GPL");

增加了一个头文件引用并且增加了一个宏定义，别的什么都没变，是不是很简单呢。

所有和tracepoint相关的元数据定义都在头文件里：

// test_tp.h
    #undef TRACE_SYSTEM
    #define TRACE_SYSTEM myprot
    
    #if !defined(_TEST_TRACE_H) || defined(TRACE_HEADER_MULTI_READ)
    #define _TEST_TRACE_H
    #include <linux/tracepoint.h>
    
    // tracepoint的定义就在这里了。可用的参数都在这里，日后debugfs输出的就是按照下面这个TP_printk的格式来的。
    // 如果eBPF来输出，依然要遵循这个格式取参数，下面有例子。
    TRACE_EVENT(myprot_port,
        TP_PROTO(unsigned short dest, unsigned short source),
        TP_ARGS(dest, source),
        TP_STRUCT__entry(
            __field(unsigned short, dest)
            __field(unsigned short, source)
        ),
    TP_fast_assign(
        __entry->dest = dest;
        __entry->source = source;
    ),
    
    TP_printk("dest:%d, source:%d", __entry->dest, __entry->source)
    );
    
    #endif
    /* * 需要添加以下这一坨 * 由于模块不能修改内核头文件，因此我们需要在自己的目录放头文件， * TRACE_INCLUDE_PATH 必须重新定义，而不是仅仅在内核头文件目录寻找定义。 * * 为了支持这个重定义，Makefile中必须包含： * CFLAGS_myprot.o = -I$(src) * */
    
    #undef TRACE_INCLUDE_PATH
    #define TRACE_INCLUDE_PATH .
    #define TRACE_INCLUDE_FILE test_tp // 这就是该头文件的名字
    #include <trace/define_trace.h>

接下来是Makefile，我们只需要注意第二行：

obj-m += test.o
    # CFLAGS_xx.o 其中 xx 为内核模块的名字
    CFLAGS_test.o = -DDEBUG -I$(src)

OK，编译模块，加载之。

首先我们开启该tracepoint：

echo 1 >/sys/kernel/debug/tracing/events/myprot/enable

此时，通过raw socket发送一个协议为123的报文，我们会在debugfs看到输出：

cat /sys/kernel/debug/tracing/trace
    # tracer: nop
    #
    # entries-in-buffer/entries-written: 1/1 #P:4
    #
    # _-----=> irqs-off
    # / _----=> need-resched
    # | / _---=> hardirq/softirq
    # || / _--=> preempt-depth
    # ||| / delay
    # TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
    # | | | |||| | |
         ksoftirqd/1-16      [001] ..s. 174074.362291: myprot_port: dest:36895, source:53764

当然，这只是模拟了printk，这只不过是把printk统一到了一个地方而已，没什么大不了的。tracepoint更有意义的是，它可以挂载eBPF程序。现在我们可以试一下：

bpftrace -l|grep tracepoint.*myprot
    tracepoint:myprot:myprot_port

我们可以用bpftrace简单debug一下：

#!/usr/bin/bpftrace
    
    tracepoint:myprot:myprot_port
    { 
    	$dest = args->dest;
    	$source = args->source;
    	printf("bpftrace:dest:%d source:%d\n",
    		($source & 0xff) << 8 | ($source & 0xff00) >> 8,
    		($dest & 0xff) << 8 | ($dest & 0xff00) >> 8);
    }

运行之，发包：

./test_bpf_tp.tp
    Attaching 1 probe...
    bpftrace:dest:1234  source:8080

唯一要吐槽的就是为什么像ntohs这样常用的接口竟然没有builtin！

tracepoint和kprobe/kretprobe相比，优缺点分别是什么呢？为什么我不喜欢kprobe这种，我甚至不喜欢live patch，但这又是为什么。

tracepoint的唯一缺点就是它是静态的，它需要通过写代码的方式静态插入到源码的特定位置，然后重新编译之后执行才能生效，与此相反，kprobe是动态的，它在运行时就可以将HOOK动态attach到特定的位置，但很不幸，这是kprobe唯一的优点。

在任何人面前，我都透露出对kprobe的不满，原因和我对live patch的不满一样，那就是， ***为了动态插入哪怕一句printk，维护kprobe/live patch框架的代码执行成本太高了！***

你去跟踪一下ftrace框架下调用live patch新函数的代码路径有多长，你去跟踪一下krpobe/kretprobe为了执行handler，做了多少额外的事，我需要的只是handler，而handler里只是printk一些变量的值而已，我不想为了这么小的事去大动干戈，如果调用handler的路径上再遭遇一把spinlock，那事情更会及其尴尬，为了调试性能瓶颈而引入的新瓶颈超过了最初的性能瓶颈本身。在性能优化这么精细的动作上，这种 ***测不准效应*** 极为掣肘！

我是手艺人，我对kprobe，live patch这种在我看来完全不可控的东西很难信任。当然我也不在乎那些可以熟练操作这些工具的人的耻笑，我有自己的办法。

如果我想patch一个函数，或者说我想在某处插入一条printk，我会手工去做，很简单，直接在特定位置修改代码为call myhandler即可，当myhandler返回，重新执行被替换的指令，这种方式非常简单且直接，我信任这种方式，当我找到了这种方式并且可以熟练运用的时候，在我看来，tracepoint和kprobe也就没有本质的区别了。

忘掉什么是kprobe，live patch，忘掉tracepoint可能比记得它们更好。

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