bpftrace原理与使用方法

bpftrace是一种基于eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）的跟踪工具，用于在Linux系统中进行动态跟踪和系统性能分析。理解bpftrace的概念、原理和使用方法有助于更好地使用和应用它。

概念和原理

• eBPF（Extended Berkeley Packet Filter）：eBPF是一种虚拟机技术，允许在内核中运行安全的、可编程的代码片段，以便对系统执行深入的跟踪和监视。eBPF提供了一种灵活且高效的方式来扩展内核的功能，并允许用户空间应用程序与内核交互。
• bpftrace语言：bpftrace提供了一种高级脚本语言，使用类似于awk的语法，用于编写跟踪脚本。bpftrace脚本通过eBPF提供的虚拟机执行，可以捕获和分析各种系统事件和指标。
• 动态加载和执行：bpftrace的一个关键特性是它可以在运行时动态加载和执行脚本，而无需重新编译内核或应用程序。这使得它非常适合于实时系统性能分析和故障排查。

bpftrace安装

根据你的Linux发行版和版本，使用包管理器（如apt、dnf、yum等）安装bpftrace(我使用的是Ubuntu):
sudo apt install bpftrace

bpftrace 语法结构

bpftrace 的语法结构是参考 awk 的。
probes /filter/ { action }

probes ：事件，tracepoint, kprobe, kretprobe, uprobe。两个特殊事件BEGIN/END，用于脚本开始和结束处执行
filter ：过滤条件，事件触发时，判断条件，例如：/pid == 3245/，表示 pid为 3245 的进程执行。
action ：具体执行的操作，例如：{ printf(“close\n”);} 打印 close

probes

案例:

bpftrace -e 'BEGIN { printf("hello\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_accept { printf("accept\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_accept4 { printf("accept4\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_connect { printf("connect\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_read { printf("read\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_write { printf("write\n"); }'
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_close { printf("close\n"); }'

bpftrace 变量

内置变量

bpftrace 脚本常用变量如下：

uid:用户 id。
tid：线程 id
pid：进程 id。
cpu：cpu id。
cgroup：cgroup id.
probe：当前的 trace 点。
comm：进程名字。
nsecs：纳秒级别的时间戳。
kstack：内核栈描述
curtask：当前进程的 task_struct 地址。
args:获取该 kprobe 或者 tracepoint 的参数列表
arg0:获取该 kprobe 的第一个变量，tracepoint 不可用
arg1:获取该 kprobe 的第二个变量，tracepoint 不可用
arg2:获取该 kprobe 的第三个变量，tracepoint 不可用
retval: kretprobe 中获取函数返回值
args->ret: kretprobe 中获取函数返回值

自定义变量

以'$'标志起来定义与引用变量，例如：$idx = 0;

Map变量

Map 变量是用于内核向用户空间传递数据的一种存储结构，定义方式是以'@'符
号作为标志
@path[tid] = nsecs;
@path[pid, $fd] = nsecs;
Bpftrace 默认在结束时会打印从内核接收到的 map 变量

内置函数

exit():退出 bpftrace 程序
str(char *):转换一个指针到 string 类型
system(format[, arguments ...]):运行一个 shell 命令
join(char *str[]):打印一个字符串列表并在每个前面加上空格，比如可以用
来输出 args->argv
ksym(addr)：用于转换一个地址到内核 symbol
kaddr(char *name):通过 symbol 转换为内核地址
print(@m [, top [, div]])：可选择参数打印 map 中的 top n 个数据，数
据可选择除以一个 div 值

bpftrace 内置了 map 对象操作函数，用于传递数据给 map 变量

count():用于计算次数
sum(int n):用于累加计算
avg(int n):用于计算平均值
min(int n):用于计算最小值
max(int n):用于计算最大值
hist(int n):数据分布直方图（范围为 2 的幂次增长）
lhist(int n)：数据线性直方图
delete(@m[key]):删除 map 中的对应的 key 数据
clear(@m):删除 map 中的所有数据
zero(@m):map 中的所有值设置为 0

Bpftrace操作案例

注意:由于bpftrace需要访问内核资源，因此通常需要以超级用户（sudo）权限运行。

文件系统

统计调用 read 的次数:
bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_read {@[probe]=count(); }'

跟踪系统调用"read"的使用情况，并创建一个直方图来显示"read"系统调用的参数"count"的分布情况:
bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_read {@=hist(args->count);}'

跟踪系统调用"openat"的使用情况，并打印出调用该系统调用的进程名和打开的文件名:
bpftrace -e 't:syscalls:sys_enter_openat { printf("%s–> %s\n",comm,str(args->filename)); }'

通过脚本文件执行:
vim vfs.bt

#include <linux/fs.h>
#include <linux/path.h>
#include <linux/dcache.h>

kprobe:vfs_open 
/ comm == "cat"/ 
{ 
	printf("vfs_open: %s, name: %s\n", comm, str(((struct path*)arg0)->dentry->d_name.name)); 
}


kprobe:vfs_write
/ comm == "cat"/
{
	$file = str(((struct file*)arg0)->f_path.dentry->d_name.name);
	printf("vfs_write: %s, count: %d, buf:%s\n", $file, arg2, str(arg1));
}

执行:bpftrace vfs.bt

磁盘

统计阻塞 io 事件:
bpftrace -e 't:block:* { @[probe] = count(); }'

统计 阻塞 io 操作数据大小:
bpftrace -e 't:block:block_rq_issue { @bytes = hist(args->bytes); }'

进程

启动的进程名与命令行参数:
bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_execve { join(args->argv); }'

进程调度:
bpftrace -e 'tracepoint:sched:sched_switch { @[kstack] = count(); }'

内存

内核内存栈
bpftrace -e 't:kmem:kmem_cache_alloc { @bytes[kstack] = sum(args->bytes_alloc); }'

Malloc 调用统计:
bpftrace -e 'u:/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6:malloc {@[ustack, comm] = sum(arg0); }'