透视Linux内核神奇的BPF二

一前言

对于第一次BPF的介绍，只是简单介绍了BPF，写了一个没啥用的例子，如何利用BCC写一个有点用的程序以及BCC中有哪些牛逼的工具，是本篇需要介绍的。

二 BPF程序开发一般流程

再来回忆下，BPF开发程序，加载和运行过程，如下图，从用户程序角度看分为三个部分：

BPF代码，即内核事件发生时候调用的代码，下图中的bpf_prog.c，通过LLVM和clang编译器，将代码转成BPF字节码。
加载BPF代码的用户代码，即负责进行系统调用将编写的BPF代码编译后的字节码，加载到内核中探针上（kprobe）。
用户程序通过读取映射表内容，来获取BPF代码的输出，即bpf_prog.c这个模块输出。内核的角度：
字节码被传递到内核后，内核通过校验器进行校验；
校验通过后，事件被启动，BPF程序被挂载到事件上。
将数据输出到映射表中。

需要说明的是，内核会判断bpf_jit_enabled是否开启，这个可以在内核源码编译的时候开启，开启后，即时编译器（JIT）会将eBPF字节码编译成本地机器指令，执行起来效率更高。

我们知道BPF程序和事件关联的，这个里面的事件不止内核态的事件，还包括用户态的事件，最重要的是三类：

动态插桩，内核态（kprobes的BPF支持）
动态插桩，用户态（uprobes的BPF支持）
静态跟踪，内核态（tracepoint）
时间采样事件（BPF，使用perf_event_open()) 还有很多，都不列出来了，根据挂载事件的不同，BPF的程序类型不同，每种eBPF程序挂载到不同的内核函数，内核跟踪点，用户态插桩点，性能事件上，当这些内核函数，内核跟踪点，用户态插桩点，性能事件被调用的时候，挂载在上面的BPF程序自动执行。

2.1 利用BCC编写C代码

2.1.1 BPF内核运行的代码

#include <linux/bpf.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>
#include <bpf/bpf_core_read.h>
#include <linux/ptrace.h>// 内核的动态插桩位置：do_sys_openat2 即打开文件函数
SEC("kprobe/do_sys_openat2")
int hello(struct pt_regs *ctx) {const int dirfd = PT_REGS_PARM1(ctx);const char *pathname = (char *)PT_REGS_PARM2(ctx);char fmt[] = "@dirfd='%d' @pathname='%s'";char msg[256];bpf_probe_read_user_str(msg, sizeof(msg), pathname);bpf_trace_printk(fmt, sizeof(fmt), dirfd, msg);return 0;
}char _license[] SEC("license") = "GPL";

说明：

BPF的代码在内核的动态插桩位置为：openat2,此函数在glibc2.32时候，所有的打开文件的操作都是openat2，具体的参数声明如下：

int openat2(int dirfd, const char *pathname,const struct open_how *how, size_t size);
详情参考：[open(2) - Linux manual page (man7.org)](https://man7.org/linux/man-pages/man2/openat.2.html)

获取第一个参数和第二个参数值 PT_REGS_PARM1 和PT_REGS_PARM2 是获取openat2的前两个参数

bpf_probe_read_user_str(msg, sizeof(msg), pathname);

bpf的辅助函数，从用户空间读取字符串,这里面不复制下面也可以打印，只是通过这个调用后，就可以把用户空间的路径名复制到eBPF程序中。

bpf_trace_printk 即向调试系统文件写入调试信息，输出位置是： /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe 不是标准输出。
SEC("license") 宏，定义在头文件bpf/bpf_helpers.h 为：attribute((section(NAME), used)) 即把变量，函数，放在ELF文件中名为license的段中，_license 定义了eBPF程序的license类型，eBPF程序会校验此license是否为GPL兼容的。

2.1.1 编译BPF程序

我们用安装的clang编译器，结合llvm工具将c写的BPF程序编译成bpf字节码，指令如下：

clang -O2  -target bpf -c open_file.c  -o open_file.o

如果采用两步编译就是：

# 前端编译生成LLVM IR文件
clang -O2 -Wall -emit-llvm -S open_file.c
# 使用LLVM 后端生成BPF字节码
llc open_file.ll -march=bpf -filetype=obj -o open_file.o

过程：

clang 把 eBPF 程序翻译为中间语言（IR）是 LLVM 的 object (参数 -c -emit-llvm），再通过 llc 编译、链接成 target 为 bpf 的 ELF 程序（参数 -march=bpf -filetype=obj）

bpf 表示目标为bpf字节码格式，可以通过以下命令看下详细的bpf字节码：

[root@localhost hello-openat2]# llvm-objdump -d  open_file.oopen_file.o: file format elf64-bpfDisassembly of section kprobe/do_sys_openat2:0000000000000000 <hello>:0: bf 17 00 00 00 00 00 00 r7 = r11: 85 10 00 00 ff ff ff ff call -12: bf 06 00 00 00 00 00 00 r6 = r03: bf 71 00 00 00 00 00 00 r1 = r74: 85 10 00 00 ff ff ff ff call -15: b7 01 00 00 73 27 00 00 r1 = 100996: 6b 1a f8 ff 00 00 00 00 *(u16 *)(r10 - 8) = r17: 18 01 00 00 68 6e 61 6d 00 00 00 00 65 3d 27 25 r1 = 2677176009331142248 ll9: 7b 1a f0 ff 00 00 00 00 *(u64 *)(r10 - 16) = r110: 18 01 00 00 25 64 27 20 00 00 00 00 40 70 61 74 r1 = 8386107401860244517 ll12: 7b 1a e8 ff 00 00 00 00 *(u64 *)(r10 - 24) = r113: 18 01 00 00 40 64 69 72 00 00 00 00 66 64 3d 27 r1 = 2827526532227490880 ll15: 7b 1a e0 ff 00 00 00 00 *(u64 *)(r10 - 32) = r116: b7 01 00 00 00 00 00 00 r1 = 017: 73 1a fa ff 00 00 00 00 *(u8 *)(r10 - 6) = r118: 67 00 00 00 20 00 00 00 r0 <<= 3219: c7 00 00 00 20 00 00 00 r0 s>>= 3220: bf a7 00 00 00 00 00 00 r7 = r1021: 07 07 00 00 e0 fe ff ff r7 += -28822: bf 71 00 00 00 00 00 00 r1 = r723: b7 02 00 00 00 01 00 00 r2 = 25624: bf 03 00 00 00 00 00 00 r3 = r025: 85 00 00 00 72 00 00 00 call 11426: bf a1 00 00 00 00 00 00 r1 = r1027: 07 01 00 00 e0 ff ff ff r1 += -3228: b7 02 00 00 1b 00 00 00 r2 = 2729: bf 63 00 00 00 00 00 00 r3 = r630: bf 74 00 00 00 00 00 00 r4 = r731: 85 00 00 00 06 00 00 00 call 632: b7 00 00 00 00 00 00 00 r0 = 033: 95 00 00 00 00 00 00 00 exit

2.1.1 编译用户端加载BPF程序

BPF程序需要用户端程序加载到内核上，并读取ebpf的输出，如下代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>#include "bpf_load.h"#define MAX_FILENAME_LEN 256void read_msg(void);int main(int argc, char *argv[]) {int ch;if (argc != 2) {fprintf(stdout, "Usage: %s <eBPF program>\n", argv[0]);return 0;}if (access(argv[1], R_OK) != 0) {fprintf(stderr, "ERROR: access('%s'): %s\n",argv[0], strerror(errno));return 1;}if (load_bpf_file(argv[1])) {fprintf(stdout, "%s", bpf_log_buf);return 1;}fprintf(stdout, ">>> begin to read trace_pipe...\n");read_msg();return 0;
}void read_msg(void) {FILE *fp;char filename[MAX_FILENAME_LEN];char *line = NULL;size_t len = 0;snprintf(filename, sizeof(filename), DEBUGFS "trace_pipe");fp = fopen(filename, "r");if (fp == NULL) {fprintf(stderr, "ERROR: fopen('%s'): %s\n",filename, strerror(errno));return;}while (getline(&line, &len, fp) != -1) {fprintf(stdout, "%s", line);continue;}return;
}

编译也比较简单：

cc -c -o bpf_load.o bpf_load.c
cc -c -o open_file_user.o open_file_user.c
cc -o bpfopen open_file_user.o  -lbpf  -lelf  bpf_load.o

都编译好了，那么来运行下：

./bpfopen open_file.o
[root@localhost hello-openat2]# ./bpfopen open_file.o
bpf_load: section 1:.strtab data 0x3462d50 size 102 link 0 flags 0
bpf_load: section 3:kprobe/do_sys_openat2 data 0x34631d0 size 224 link 0 flags 6
bpf_load: section 4:.rodata.str1.16 data 0x34632c0 size 27 link 0 flags 50
bpf_load: section 5:license data 0x34632f0 size 4 link 0 flags 3
bpf_load: section 6:.eh_frame data 0x3463310 size 48 link 0 flags 2
bpf_load: section 7:.rel.eh_frame data 0x3463350 size 16 link 8 flags 0
bpf_load: section 8:.symtab data 0x3463370 size 120 link 1 flags 0
>>> begin to read trace_pipe...<...>-231725  [006] d..31 219376.128743: bpf_trace_printk: @dirfd='-100' @pathname='/sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe'irqbalance-928     [006] d..31 219376.546195: bpf_trace_printk: @dirfd='-100' @pathname='/proc/interrupts'irqbalance-928     [006] d..31 219376.546387: bpf_trace_printk: @dirfd='-100' @pathname='/proc/stat'pmdalinux-1326    [006] d..31 219378.265136: bpf_trace_printk: @dirfd='-100' @pathname='/proc/net/dev'pmdalinux-1326    [006] d..31 219378.265198: bpf_trace_printk: @dirfd='-100' @pathname='/proc/net/netstat'
....

输出的关键内容解释：irqbalance-928 为进程名和进程id，[006] 表示cpu编号，d..31表示一系列选项， 219376.546195 表示时间戳， bpf_trace_printk：表示函数名，@dirfd='-100' @pathname='/proc/interrupts' 表示输出内容。

三查看BPF程序

利用bpftool工具查看正在运行的BPF程序

[root@localhost bpfstest]# bpftool prog show
[root@localhost bpfstest]# bpftool prog show
34: kprobe  tag b43a500aac124eef  gplloaded_at 2022-02-26T04:01:15-0500  uid 0xlated 224B  jited 139B  memlock 4096B

查看bpf字节码内容

root@localhost bpfstest]#  bpftool prog dump xlated id 340: (79) r6 = *(u64 *)(r1 +112)1: (79) r3 = *(u64 *)(r1 +104)2: (b7) r1 = 100993: (6b) *(u16 *)(r10 -8) = r14: (18) r1 = 0x25273d656d616e686: (7b) *(u64 *)(r10 -16) = r17: (18) r1 = 0x74617040202764259: (7b) *(u64 *)(r10 -24) = r110: (18) r1 = 0x273d64667269644012: (7b) *(u64 *)(r10 -32) = r113: (b7) r1 = 014: (73) *(u8 *)(r10 -6) = r115: (bf) r7 = r1016: (07) r7 += -28817: (bf) r1 = r718: (b7) r2 = 25619: (85) call bpf_probe_read_user_str#-6297620: (bf) r1 = r1021: (07) r1 += -3222: (b7) r2 = 2723: (bf) r3 = r624: (bf) r4 = r725: (85) call bpf_trace_printk#-5467226: (b7) r0 = 027: (95) exit

四 BCC中牛逼的工具

其实我们刚开发的工具在BCC中已经存在类似的，BCC不管有高级语言的接口还有一些牛逼的工具，非常方便，在解决一些麻烦问题的时候很有用：

4.1 execsnoop

这个工具通过追踪execve系统调用，来查看新创建的进程信息，如果我们遇到执行很短的进程，通过top命令看不到用它排查很有帮助，top命令是周期运行的，如果程序很快停止是无法查到的：

#execsnoop
PCOMM            PID    PPID   RET ARGS
ls               232501 230335   0 /usr/bin/ls --color=auto
ls               232502 230335   0 /usr/bin/ls --color=auto
make             232504 230335   0 /usr/bin/make
cc               232505 232504   0 /usr/bin/cc -print-file-name=include
sh               232506 232504   0 /bin/sh -c pkg-config --exists libbpf; echo $?
pkg-config       232507 232506   0 /usr/bin/pkg-config --exists libbpf
sh               232508 232504   0 /bin/sh -c pkg-config --exists libelf; echo $?
pkg-config       232509 232508   0 /usr/bin/pkg-config --exists libelf

4.2 opensnoop

这个类似我们上面开发的工具，在每次进行open调用的时候执行，打印打开文件的路径，程序名，进程号，成功还是失败(ERR 为2 表示失败)等信息，如下：

PID    COMM               FD ERR PATH
928    irqbalance          6   0 /proc/interrupts
928    irqbalance          6   0 /proc/stat
944    vmtoolsd           10   0 /proc/meminfo
944    vmtoolsd           10   0 /proc/vmstat
944    vmtoolsd           10   0 /proc/stat
944    vmtoolsd           10   0 /proc/zoneinfo

4.3 io相关

# 直方图的形式来跟踪磁盘IO延迟，会显示磁盘的IO延迟的分布情况不过在我机器上执行失败，估计是事件挂载点发生了变化不兼容导致
biolatency -m
#打印每次io请求延迟大小，磁盘，进程名等信息
biosnoop

4.3 cachestat

打印文件缓存的命中情况，用于排查缓存命中过低问题。

4.4 tcpconnect

每次调用tcp的connect时候打印一行信息，包括源地址，目标地址，端口，进程名，和进程id信息，用户发现非法的外连信息。打印信息是对外连接的信息。

4.5 tcpaccept

每次tcp监听接受被动连接的时候打印进程id，进程名，源地址，目标地址，端口信息。

4.6 tcpretrans

每次tcp重传时候会打印一条信息，包括源地址，目标地址，源端口，目标端口，以及连接状态，用于排查tcp网络慢问题。

4.7 runqlat

打印进程等待cpu运行时间的直方图，定位超出预期的cpu时间，可能是cpu包和调度等原因导致。

4.8 profile

cpu执行分析，用于判断cpu的时间主要耗费在哪些代码路径上了，不过我觉得用perf top结合火焰图来的更好些。