从C到目标文件

深入说明

eBPF与LLVM循序渐进

从C编译到eBPF程序集

组装到ELF目标文件

llvm-objdump的人性化输出

内联汇编

结论

此职位作为草稿留了很长时间。它的大部分内容是在2017年12月编写的。我希望它能在今天发布，尽管Cilium指南也涵盖了该功能。

eBPF（扩展的Berkeley数据包过滤器）相对于旧BPF版本（对于经典BPF而言，是cBPF）最有用的发展之一就是基于clang和LLVM的后端的可用性，从而可以从C源代码生成eBPF字节码。1个

从C到目标文件

例如，可以从以下代码编译返回零的简单eBPF程序：

$ cat my_bpf_program.c
int func()
{return 0;
}

命令行如下所示：

$ clang -target bpf -Wall -O2 -c my_bpf_program.c -o my_bpf_objfile.o

注意：某些程序比本示例更先进，可能需要将该-mcpu选项传递给llc，并使用更接近以下命令的内容：

$ clang -O2 -emit-llvm -c my_bpf_program.c -o - | \llc -march=bpf -mcpu=probe -filetype=obj -o my_bpf_objfile.o

这将以ELF格式创建一个目标文件，其中包含已编译的字节码。默认情况下，代码在.textELF部分下。让我们转储它：

$ readelf -x .text my_bpf_objfile.oHex dump of section '.text':0x00000000 b7000000 00000000 95000000 00000000 ................

有效！我们在这里有两个eBPF指令：

b7 0 0 0000 00000000    # r0 = 0
95 0 0 0000 00000000    # exit and return r0

如果您不熟悉eBPF汇编语法，则可能对此简短参考资料（或完整的文档，但内容密集）感兴趣。

深入说明

从C编译为eBPF字节码作为目标文件非常有用。生成的ELF文件可直接用于将程序附加到各种钩子上：TC，XDP，kprobes等。将高级程序作为字节码编写将非常耗时，并且在2020年我完成对本文的编辑时，将更加复杂诸如 CO-RE之类的功能根本无法手动完成。Clang和LLVM是eBPF工作流程的组成部分。

但是，对于需要测试非常特定的eBPF指令序列或微调程序特定方面的人员来说，这可能不是一个方便的解决方案。如果我想修改说明怎么办？如果我想在程序末尾添加第三条eBPF指令，以便在程序退出后为寄存器r0设置另一个值，该怎么办？当然，这个例子没有用，但是我仍然可以尝试一下！

为此，我们可以：

从头开始用eBPF字节码编写一个eBPF程序。这是完全可行的，但可能又长又乏味，而且绝对不友好。为了保持与tc之类工具的兼容性，无论如何该程序都必须转换为目标文件，这为该过程增加了额外的步骤。
使用汇编语言从头开始编写程序，至少不要以字节码编写程序，然后使用专用的汇编器对其进行编译（例如：ebpf_asm在Python中，由Solarflare编写）。

作为LLVM近期改进的一部分，出现了另一个解决方案，我们还可以：

从C编译为eBPF汇编语言。编辑程序集，然后将其作为字节码组装到目标文件中。

Clang和LLVM现在可以做到这一点！在一侧生成程序的可读版本，然后在另一侧进行组装。奖励： llvm-objdump甚至可以用来转储包含在目标文件中的程序。

eBPF与LLVM循序渐进

要使用本节中介绍的所有clang和LLVM功能，您需要在6.0版或更高版本中使用这些工具。当我开始起草本文时，它是开发分支，但是到我完成它时，版本10已经发布了，因此应该没有问题。

从C编译到eBPF程序集

让我们用clang编译从C到eBPF程序集的程序。实际上，这与通常使用C源代码为处理器生成汇编程序的方式相同，只是您告诉clang目标是 bpf。2

$ cat bpf.c
int func()
{return 0;
}$ clang -target bpf -S -o bpf.s bpf.c
$ cat bpf.s.text.globl  func                    # -- Begin function func.p2align    3
func:                                   # @func
# %bb.0:r1 = 0*(u32 *)(r10 - 4) = r1r0 = r1exit# -- End function

太好了，现在让我们对其进行修改并在底部添加我们的说明！

$ sed -i '$a \\tr0 = 3' bpf.s
$ cat bpf.s.text.globl  func                    # -- Begin function func.p2align    3
func:                                   # @func
# %bb.0:r1 = 0*(u32 *)(r10 - 4) = r1r0 = r1exit# -- End functionr0 = 3

组装到ELF目标文件

我们可以将该文件汇编为包含该程序字节码的ELF目标文件。它需要llvm-mc处理机器代码并与LLVM一起提供的工具。

$ llvm-mc -triple bpf -filetype=obj -o bpf.o foo.s

我们有ELF文件！让我们转储字节码：

$ readelf -x .text my_bpf_objfile.oHex dump of section '.text':0x00000000 b7010000 00000000 631afcff 00000000 ........c.......0x00000010 bf100000 00000000 95000000 00000000 ................0x00000020 b7000000 03000000 b7000000 03000000 ................

相对于程序的原始版本，前两个说明没有变化。第三条指令对应于我们添加到汇编文件中的内容：它将3加载到寄存器r0中。我们已成功编辑了说明。例如，我们现在可以使用将程序加载到内核中bpftool。任务完成！

llvm-objdump的人性化输出

请注意，LLVM还提供了一种以人类可读的方式转储eBPF对象文件的方法（如果我没有记错的话，从4.0版开始）。这可以通过以下方式完成llvm-objdump：

$ llvm-objdump -d bpf.obpf.o:    file format ELF64-BPFDisassembly of section .text:
func:0: b7 01 00 00 00 00 00 00     r1 = 01:   63 1a fc ff 00 00 00 00     *(u32 *)(r10 - 4) = r12:   bf 10 00 00 00 00 00 00     r0 = r13:  95 00 00 00 00 00 00 00     exit4:  b7 00 00 00 03 00 00 00     r0 = 3

我们获得了LLVM使用的语法的汇编指令（我们需要编写或编辑eBPF汇编的语法，因此这很有用）。注意我们在程序末尾添加的无效指令。

除了字节码和汇编指令外，LLVM还可以嵌入调试符号，以便将其转储以进行检查。具体来说，我们可以将C指令与字节码同时使用。记住原始程序是很方便的，但是最重要的是了解C指令如何映射到eBPF代码非常有帮助。嵌入指令是通过从C编译并-g传递给clang的标志来完成的。试一试吧：

$ clang -target bpf -g -S -o bpf.s bpf.c
$ llvm-mc -triple bpf -filetype=obj -o bpf.o bpf.s
$ llvm-objdump -S bpf.obpf.o:   file format ELF64-BPFDisassembly of section .text:
func:
; int func() {0:    b7 01 00 00 00 00 00 00     r1 = 01:   63 1a fc ff 00 00 00 00     *(u32 *)(r10 - 4) = r1
; return 0;2:   bf 10 00 00 00 00 00 00     r0 = r13:  95 00 00 00 00 00 00 00     exit

请注意，我们传递-g给clang，并且还更改了传递给的命令（现在 -S改为-d）llvm-objdump。该return 0;指令出现，并映射（放置在eBPF程序中的相关指令上方）。好的。

内联汇编

由于clang和LLVM知道如何生成和编译eBPF程序集，因此存在另一种处理指令的方法。现在可以直接在C程序中内联使用eBPF程序集，再次在字节码中生成特定序列。请参阅以下示例，该示例在某种程度上受到Cilium的BPF和XDP参考指南中示例的启发。

$ cat inline_asm.c
int func()
{unsigned long long foobar = 2, r3 = 3, *foobar_addr = &foobar;asm volatile("lock *(u64 *)(%0+0) += %1" :"=r"(foobar_addr) :"r"(r3), "0"(foobar_addr));return foobar;
}$ clang -target bpf -Wall -O2 -c inline_asm.c -o inline_asm.o
$ llvm-objdump -d inline_asm.o
inline_asm.o:   file format ELF64-BPFDisassembly of section .text:
func:0: b7 01 00 00 02 00 00 00     r1 = 21:   7b 1a f8 ff 00 00 00 00     *(u64 *)(r10 - 8) = r12:   b7 01 00 00 03 00 00 00     r1 = 33:   bf a2 00 00 00 00 00 00     r2 = r104: 07 02 00 00 f8 ff ff ff     r2 += -85:    db 12 00 00 00 00 00 00     lock *(u64 *)(r2 + 0) += r16:    79 a0 f8 ff 00 00 00 00     r0 = *(u64 *)(r10 - 8)7:   95 00 00 00 00 00 00 00     exit

它在r2指向的地址上产生值的原子增量。因为指令是用C源代码编写的，所以我们不需要中间步骤就可以进行汇编。

我们应该使用内联汇编还是中间编译？我认为这两种方法都很有用：在C源文件中以汇编形式插入几个指令，或者创建用于测试特定指令序列的小型程序。在Netronome，我们经常将后者用于单元测试，以检查nfp驱动程序的eBPF硬件卸载功能。

结论

简而言之，您无需将eBPF程序从C编译为ELF目标文件，而是可以将其编译为汇编语言，根据需要进行编辑，然后将此版本汇编为最终目标文件。为此，您需要6.0版或更高版本中的clang和LLVM，命令为：

$ clang -target bpf -S -o bpf.s bpf.c
$ llvm-mc -triple bpf -filetype=obj -o bpf.o foo.s

并以人类可读的格式转储该文件：

$ llvm-objdump -d bpf.o
$ llvm-objdump -S bpf.o         # add C code, if -g was passed to clang

此外，该asm关键字可用于在C程序中内联包括eBPF汇编程序。

LLVM中的eBPF程序集支持允许编写所需的任何eBPF指令序列。包括错误的程序。不要忘记：即使编译，它仍然必须通过验证程序。祝好运并玩得开心点！

当我完成本文时，现在也有一个GCC后端，但似乎没有clang / LLVM版本完整，后者显然仍然是产生eBPF字节码的参考工具。 ↩
有关目标以及与默认目标的区别的更多信息，请参见Cilium的BPF和XDP参考指南bpf。 ↩

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