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-- linux爱好者,业余时间热衷于分析linux内核源码 -- 目前主要研究云计算和虚拟化相关的技术,主要包括libvirt/qemu,openstack,opennebula架构和源码分析。 -- 第五届云计算大会演讲嘉宾 微博:@Marshal-Liu

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2009-10-11 09:46:22

Linux 下的一个全新的性能测量和调式诊断工具 Systemtap,第 1 部分: kprobe
kprobe 的原理、编程接口、局限性和使用注意事项
developerWorks
 

杨 燚 (yang.y.yi@gmail.com), 计算机科学硕士, Intel
2007 年 8 月 31 日
本系列文章详细地介绍了一个Linux下的全新的调式、诊断和性能测量工具Systemtap和它所依赖的基础kprobe以及促使开发该工具的先驱 DTrace并给出实际使用例子使读者更进一步了解和认识这些工具。本文是该系列文章之一,它讲解了kprobe的原理、编程接口、局限性和使用注意事项并给出实际使用示例帮助读者理解和认识kprobe。本系列文章之二讲解了DTrace以及Systemtap与DTrace比较。本系列文章之三讲解了Systemtap的原理,并通过一个例子向读者展示 Systemtap的工作机理。
一、kprobe简介
kprobe是一个动态地收集调试和性能信息的工具,它从Dprobe项目派生而来,是一种非破坏性工具,用户用它几乎可以跟踪任何函数或被执行的指令以及一些异步事件(如timer)。它的基本工作机制是:用户指定一个探测点,并把一个用户定义的处理函数关联到该探测点,当内核执行到该探测点时,相应的关联函数被执行,然后继续执行正常的代码路径。
kprobe实现了三种类型的探测点: kprobes, jprobes和kretprobes (也叫返回探测点)。 kprobes是可以被插入到内核的任何指令位置的探测点,jprobes则只能被插入到一个内核函数的入口,而kretprobes则是在指定的内核函数返回时才被执行。
一般,使用kprobe的程序实现作一个内核模块,模块的初始化函数来负责安装探测点,退出函数卸载那些被安装的探测点。kprobe提供了接口函数(APIs)来安装或卸载探测点。目前kprobe支持如下架构:i386、x86_64、ppc64、ia64(不支持对slot1指令的探测)、 sparc64 (返回探测还没有实现)。
 

二、kprobe实现原理
当安装一个kprobes探测点时,kprobe首先备份被探测的指令,然后使用断点指令(即在i386和x86_64的int3指令)来取代被探测指令的头一个或几个字节。当CPU执行到探测点时,将因运行断点指令而执行trap操作,那将导致保存CPU的寄存器,调用相应的trap处理函数,而 trap处理函数将调用相应的notifier_call_chain(内核中一种异步工作机制)中注册的所有notifier函数,kprobe正是通过向trap对应的notifier_call_chain注册关联到探测点的处理函数来实现探测处理的。当kprobe注册的notifier被执行时,它首先执行关联到探测点的pre_handler函数,并把相应的kprobe struct和保存的寄存器作为该函数的参数,接着,kprobe单步执行被探测指令的备份,最后,kprobe执行post_handler。等所有这些运行完毕后,紧跟在被探测指令后的指令流将被正常执行。
jprobe通过注册kprobes在被探测函数入口的来实现,它能无缝地访问被探测函数的参数。jprobe处理函数应当和被探测函数有同样的原型,而且该处理函数在函数末必须调用kprobe提供的函数jprobe_return()。当执行到该探测点时,kprobe备份CPU寄存器和栈的一些部分,然后修改指令寄存器指向jprobe处理函数,当执行该jprobe处理函数时,寄存器和栈内容与执行真正的被探测函数一模一样,因此它不需要任何特别的处理就能访问函数参数,在该处理函数执行到最后时,它调用jprobe_return(),那导致寄存器和栈恢复到执行探测点时的状态,因此被探测函数能被正常运行。需要注意,被探测函数的参数可能通过栈传递,也可能通过寄存器传递,但是jprobe对于两种情况都能工作,因为它既备份了栈,又备份了寄存器,当然,前提是 jprobe处理函数原型必须与被探测函数完全一样。
kretprobe也使用了kprobes来实现,当用户调用register_kretprobe()时,kprobe在被探测函数的入口建立了一个探测点,当执行到探测点时,kprobe保存了被探测函数的返回地址并取代返回地址为一个trampoline的地址,kprobe在初始化时定义了该 trampoline并且为该trampoline注册了一个kprobe,当被探测函数执行它的返回指令时,控制传递到该trampoline,因此 kprobe已经注册的对应于trampoline的处理函数将被执行,而该处理函数会调用用户关联到该kretprobe上的处理函数,处理完毕后,设置指令寄存器指向已经备份的函数返回地址,因而原来的函数返回被正常执行。
被探测函数的返回地址保存在类型为kretprobe_instance的变量中,结构kretprobe的maxactive字段指定了被探测函数可以被同时探测的实例数,函数register_kretprobe()将预分配指定数量的kretprobe_instance。如果被探测函数是非递归的并且调用时已经保持了自旋锁(spinlock),那么maxactive为1就足够了;如果被探测函数是非递归的且运行时是抢占失效的,那么maxactive为NR_CPUS就可以了;如果maxactive被设置为小于等于0, 它被设置到缺省值(如果抢占使能, 即配置了 CONFIG_PREEMPT,缺省值为10和2*NR_CPUS中的最大值,否则缺省值为NR_CPUS)。
如果maxactive被设置的太小了,一些探测点的执行可能被丢失,但是不影响系统的正常运行,在结构kretprobe中nmissed字段将记录被丢失的探测点执行数,它在返回探测点被注册时设置为0,每次当执行探测函数而没有kretprobe_instance可用时,它就加1。

三、kprobe的接口函数
kprobe为每一类型的探测点提供了注册和卸载函数。
1.register_kprobe
它用于注册一个kprobes类型的探测点,其函数原型为:
int register_kprobe(struct kprobe *kp);

为了使用该函数,用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
该函数的参数是struct kprobe类型的指针,struct kprobe包含了字段addr、pre_handler、post_handler和fault_handler,addr指定探测点的位置, pre_handler指定执行到探测点时执行的处理函数,post_handler指定执行完探测点后执行的处理函数,fault_handler指定错误处理函数,当在执行pre_handler、post_handler以及被探测函数期间发生错误时,它会被调用。在调用该注册函数前,用户必须先设置好struct kprobe的这些字段,用户可以指定任何处理函数为NULL。
该注册函数会在kp->addr地址处注册一个kprobes类型的探测点,当执行到该探测点时,将调用函数kp-> pre_handler,执行完被探测函数后,将调用kp->post_handler。如果在执行kp->pre_handler或kp- >post_handler时或在单步跟踪被探测函数期间发生错误,将调用kp->fault_handler。
该函数成功时返回0,否则返回负的错误码。
探测点处理函数pre_handler的原型如下:
int pre_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs);

用户必须按照该原型参数格式定义自己的pre_handler,当然函数名取决于用户自己。参数p就是指向该处理函数关联到的kprobes探测点的指针,可以在该函数内部引用该结构的任何字段,就如同在使用调用register_kprobe时传递的那个参数。参数regs指向运行到探测点时保存的寄存器内容。kprobe负责在调用pre_handler时传递这些参数,用户不必关心,只是要知道在该函数内你能访问这些内容。
一般地,它应当始终返回0,除非用户知道自己在做什么。
探测点处理函数post_handler的原型如下:
void post_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs,
unsigned long flags);

前两个参数与pre_handler相同,最后一个参数flags总是0。
错误处理函数fault_handler的原刑如下:
int fault_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr);

前两个参数与pre_handler相同,第三个参数trapnr是与错误处理相关的架构依赖的trap号(例如,对于i386,通常的保护错误是13,而页失效错误是14)。
如果成功地处理了异常,它应当返回1。
2.register_jprobe
该函数用于注册jprobes类型的探测点,它的原型如下:
int register_jprobe(struct jprobe *jp);

为了使用该函数,用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
用户在调用该注册函数前需要定义一个struct jprobe类型的变量并设置它的kp.addr和entry字段,kp.addr指定探测点的位置,它必须是被探测函数的第一条指令的地址,entry 指定探测点的处理函数,该处理函数的参数表和返回类型应当与被探测函数完全相同,而且它必须正好在返回前调用jprobe_return()。如果被探测函数被声明为asmlinkage、fastcall或影响参数传递的任何其他形式,那么相应的处理函数也必须声明为相应的形式。
该注册函数在jp->kp.addr注册一个jprobes类型的探测点,当内核运行到该探测点时,jp->entry指定的函数会被执行。
如果成功,该函数返回0,否则返回负的错误码。
3.register_kretprobe
该函数用于注册类型为kretprobes的探测点,它的原型如下:
int register_kretprobe(struct kretprobe *rp);

为了使用该函数,用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
该注册函数的参数为struct kretprobe类型的指针,用户在调用该函数前必须定义一个struct kretprobe的变量并设置它的kp.addr、handler以及maxactive字段,kp.addr指定探测点的位置,handler指定探测点的处理函数,maxactive指定可以同时运行的最大处理函数实例数,它应当被恰当设置,否则可能丢失探测点的某些运行。
该注册函数在地址rp->kp.addr注册一个kretprobe类型的探测点,当被探测函数返回时,rp->handler会被调用。
如果成功,它返回0,否则返回负的错误码。
kretprobe处理函数的原型如下:
int kretprobe_handler(struct kretprobe_instance *ri, struct pt_regs *regs);

参数regs指向保存的寄存器,ri指向类型为struct kretprobe_instance的变量,该结构的ret_addr字段表示返回地址,rp指向相应的kretprobe_instance变量, task字段指向相应的task_struct。结构struct kretprobe_instance是注册函数register_kretprobe根据用户指定的maxactive值来分配的,kprobe负责在调用kretprobe处理函数时传递相应的kretprobe_instance。
4.unregister_*probe
对应于每一个注册函数,有相应的卸载函数。
void unregister_kprobe(struct kprobe *kp);
void unregister_jprobe(struct jprobe *jp);
void unregister_kretprobe(struct kretprobe *rp);

上面是对应与三种探测点类型的卸载函数,当使用探测点的模块卸载或需要卸载已经注册的探测点时,需要使用相应的卸载函数来卸载已经注册的探测点,kp, jp和rp分别为指向结构struct kprobe,struct jprobe和struct kretprobe的指针,它们应当指向调用对应的注册函数时使用的那个结构,也就说注册和卸载必须针对同样的探测点,否则会导致系统崩溃。这些卸载函数可以在注册后的任何时刻调用。

四、kprobe的特点和限制
kprobe允许在同一地址注册多个kprobes,但是不能同时在该地址上有多个jprobes。
通常,用户可以在内核的任何位置注册探测点,特别是可以对中断处理函数注册探测点,但是也有一些例外。如果用户尝试在实现kprobe的代码(包括 kernel/kprobes.c和arch/*/kernel/kprobes.c以及do_page_fault和 notifier_call_chain)中注册探测点,register_*probe将返回-EINVAL.
如果为一个内联(inline)函数注册探测点,kprobe无法保证对该函数的所有实例都注册探测点,因为gcc可能隐式地内联一个函数。因此,要记住,用户可能看不到预期的探测点的执行。
一个探测点处理函数能够修改被探测函数的上下文,如修改内核数据结构,寄存器等。因此,kprobe可以用来安装bug解决代码或注入一些错误或测试代码。
如果一个探测处理函数调用了另一个探测点,该探测点的处理函数不将运行,但是它的nmissed数将加1。多个探测点处理函数或同一处理函数的多个实例能够在不同的CPU上同时运行。
除了注册和卸载,kprobe不会使用mutexe或分配内存。
探测点处理函数在运行时是失效抢占的,依赖于特定的架构,探测点处理函数运行时也可能是中断失效的。因此,对于任何探测点处理函数,不要使用导致睡眠或进程调度的任何内核函数(如尝试获得semaphore)。
kretprobe是通过取代返回地址为预定义的trampoline的地址来实现的,因此栈回溯和gcc内嵌函数__builtin_return_address()调用将返回trampoline的地址而不是真正的被探测函数的返回地址。
如果一个函数的调用次数与它的返回次数不相同,那么在该函数上注册的kretprobe探测点可能产生无法预料的结果(do_exit()就是一个典型的例子,但do_execve() 和 do_fork()没有问题)。
当进入或退出一个函数时,如果CPU正运行在一个非当前任务所有的栈上,那么该函数的kretprobe探测可能产生无法预料的结果,因此kprobe并不支持在x86_64上对__switch_to()的返回探测,如果用户对它注册探测点,注册函数将返回-EINVAL。

五、如何让内核支持kprobe
kprobe已经被包含在2.6内核中,但是只有最新的内核才提供了上面描述的全部功能,因此如果读者想实验本文附带的内核模块,需要最新的内核,作者在2.6.18内核上测试的这些代码。内核缺省时并没有使能kprobe,因此用户需使能它。
为了使能kprobe,用户必须在编译内核时设置CONFIG_KPROBES,即选择在“Instrumentation Support“中的“Kprobes”项。如果用户希望动态加载和卸载使用kprobe的模块,还必须确保“Loadable module support” (CONFIG_MODULES)和“Module unloading” (CONFIG_MODULE_UNLOAD)设置为y。如果用户还想使用kallsyms_lookup_name()来得到被探测函数的地址,也要确保CONFIG_KALLSYMS设置为y,当然设置CONFIG_KALLSYMS_ALL为y将更好。

六、kprobe使用实例
本文附带的包包含了三个示例模块,kprobe-exam.c是kprobes使用示例,jprobe-exam.c是jprobes使用示例,kretprobe-exam.c是kretprobes使用示例,读者可以下载该包并执行如下指令来实验这些模块:
$ tar -jxvf kprobes-examples.tar.bz2
$ cd kprobes-examples
$ make

$ su -

$ insmod kprobe-example.ko
$ dmesg

$ rmmod kprobe-example
$ dmesg

$ insmod jprobe-example.ko
$ cat kprobe-example.c
$dmesg

$ rmmod jprobe-example
$ dmesg

$ insmod kretprobe-example.ko
$ dmesg

$ ls -Rla / > /dev/null &
$ dmesg

$ rmmod kretprobe-example
$ dmesg

$

示例模块kprobe-exame.c探测schedule()函数,在探测点执行前后分别输出当前正在运行的进程、所在的CPU以及preempt_count(),当卸载该模块时将输出该模块运行时间以及发生的调度次数。这是该模块在作者系统上的输出:
kprobe registered
current task on CPU#1: swapper (before scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: swapper (after scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#0: insmod (before scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#0: insmod (after scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: klogd (after scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: klogd (after scheduling), preempt_count = 0
current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0

Scheduling times is 5918 during of 7655 milliseconds.
kprobe unregistered

示例模块jprobe-exam.c是一个jprobes探测例子,它示例了获取系统调用open的参数,但读者不要试图在实际的应用中这么使用,因为 copy_from_user可能导致睡眠,而kprobe并不允许在探测点处理函数中这么做(请参看前面内容了解详细描述)。
这是该模块在作者系统上的输出:
Registered a jprobe.
process 'cat' call open('/etc/ld.so.cache', 0, 0)
process 'cat' call open('/lib/libc.so.6', 0, -524289)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/locale-archive', 32768, 1)
process 'cat' call open('/usr/share/locale/locale.alias', 0, 438)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/en_US.UTF-8/LC_CTYPE', 0, 0)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/en_US.utf8/LC_CTYPE', 0, 0)
process 'cat' call open('/usr/lib/gconv/gconv-modules.cache', 0, 0)
process 'cat' call open('kprobe-exam.c', 32768, 0)

process 'rmmod' call open('/etc/ld.so.cache', 0, 0)
process 'rmmod' call open('/lib/libc.so.6', 0, -524289)
process 'rmmod' call open('/proc/modules', 0, 438)
jprobe unregistered

示例模块kretprobe-exam.c是一个返回探测例子,它探测系统调用open并输出返回值小于0的情况。它也有意设置maxactive为1,以便示例丢失探测运行的情况,当然,只有系统并发运行多个sys_open才可能导致这种情况,因此,读者需要有SMP的系统或者有超线程支持才能看到这种情况。如果读者比较仔细,会看到在前面的命令有”ls -Rla / > /dev/null & ,那是专门为了导致出现丢失探测运行的。
这是该模块在作者系统上的输出:
Registered a return probe.
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2
sys_open returns -2

kretprobe unregistered
Missed 11 sys_open probe instances.
 
小结
本文详细地讲解了kprobe的方方面面并给出实际的例子代码帮助读者学习和使用kprobe。本文是系列文章“Linux下的一个全新的性能测量和调式诊断工具 -- Systemtap”之一,有兴趣的读者可以阅读该系列文章之二和三。

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下载
描述 名字 大小 下载方法
kprobe 示例代码 kprobes-examples.tar.bz2 10KB HTTP
关于下载方法的信息

参考资料
1. Gaining insight into the Linux kernel with Kprobes
2. Kernel debugging with Kprobes
3. Linux kernel documentation, Documentation/kprobes.txt
4. Linux kernel source code, linux-2.6.18
5. 使用Kprobes 调试内核
6. Systemtap
7. 中国Linux大学
关于作者

杨毅,计算机科学硕士,毕业于中科院计算技术研究所,有 5 年的 Linux 内核编程经验,目前在 Intel OTC(Open-source Technology Center)工作。您可以通过 yang.y.yi@gmail.com 与作者联系。
 
 
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