动态追踪
动态追踪技术,通过探针机制,来采集内核或者应用程序的运行信息,从而可以不用修改内核和应用程序的代码,就获得丰富的信息。
以往,在排查和调试性能问题时,我们往往需要先为应用程序设置一系列的断点(比如使用 GDB),然后以手动或者脚本(比如 GDB 的 Python 扩展)的方式,在这些断点处分析应用程序的状态。或者,增加一系列的日志,从日志中寻找线索。断点往往会中断应用的正常运行;而增加新的日志,往往需要重新编译和部署。这类方式还有大量的性能问题。比如,出现的概率小,只有线上环境才能碰到。这种难以复现的问题,亦是一个巨大挑战。
动态追踪技术的出现,就为这些问题提供了完美的方案:它既不需要停止服务,也不需要修改应用程序的代码;所有一切还按照原来的方式正常运行时,就可以帮你分析出问题的根源。
相比以往的进程级跟踪方法(比如 ptrace),动态追踪往往只会带来很小的性能损耗(通常在 5% 或者更少)。
历史
源于 Solaris 系统的 DTrace。DTrace 是动态追踪技术的鼻祖,它提供了一个通用的观测框架,并可以使用 D 语言进行自由扩展。
DTrace 的工作原理如下图所示。**它的运行常驻在内核中,用户可以通过 dtrace 命令,把 D 语言编写的追踪脚本,提交到内核中的运行时来执行。**DTrace 可以跟踪用户态和内核态的所有事件,并通过一些列的优化措施,保证最小的性能开销。

(图片来自 BSDCan)
虽然直到今天,DTrace 本身依然无法在 Linux 中运行,但它同样对 Linux 动态追踪产生了巨大的影响。很多工程师都尝试过把 DTrace 移植到 Linux 中,这其中,最著名的就是 RedHat 主推的 SystemTap。
同 DTrace 一样,SystemTap 也定义了一种类似的脚本语言,方便用户根据需要自由扩展。不过,不同于 DTrace,SystemTap 并没有常驻内核的运行时,它需要先把脚本编译为内核模块,然后再插入到内核中执行。这也导致 SystemTap 启动比较缓慢,并且依赖于完整的调试符号表。

为了追踪内核或用户空间的事件,Dtrace 和 SystemTap 都会把用户传入的追踪处理函数(一般称为 Action),关联到被称为探针的检测点上。这些探针,实际上也就是各种动态追踪技术所依赖的事件源。
动态追踪的事件源
根据事件类型的不同,动态追踪所使用的事件源,可以分为静态探针、动态探针以及硬件事件等三类。它们的关系如下图所示:

其中,硬件事件通常由性能监控计数器 PMC(Performance Monitoring Counter)产生,包括了各种硬件的性能情况,比如 CPU 的缓存、指令周期、分支预测等等。
静态探针,是指事先在代码中定义好,并编译到应用程序或者内核中的探针。这些探针只有在开启探测功能时,才会被执行到;未开启时并不会执行。常见的静态探针包括内核中的跟踪点(tracepoints)和 USDT(Userland Statically Defined Tracing)探针。
- 跟踪点(tracepoints),实际上就是在源码中插入的一些带有控制条件的探测点,这些探测点允许事后再添加处理函数。比如在内核中,最常见的静态跟踪方法就是 printk,即输出日志。Linux 内核定义了大量的跟踪点,可以通过内核编译选项,来开启或者关闭。
- USDT 探针,全称是用户级静态定义跟踪,需要在源码中插入 DTRACE_PROBE() 代码,并编译到应用程序中。不过,也有很多应用程序内置了 USDT 探针,比如 MySQL、PostgreSQL 等。
动态探针,则是指没有事先在代码中定义,但却可以在运行时动态添加的探针。比如函数的调用和返回等。动态探针支持按需在内核或者应用程序中添加探测点,具有更高的灵活性。常见的动态探针有两种,即用于内核态的 kprobes 和用于用户态的 uprobes。
- kprobes 用来跟踪内核态的函数,包括用于函数调用的 kprobe 和用于函数返回的 kretprobe。
- uprobes 用来跟踪用户态的函数,包括用于函数调用的 uprobe 和用于函数返回的 uretprobe。
kprobes 需要内核编译时开启 CONFIG_KPROBE_EVENTS;而 uprobes 则需要内核编译时开启 CONFIG_UPROBE_EVENTS。
动态追踪机制
在这些探针的基础上,Linux 也提供了一系列的动态追踪机制,比如 ftrace、perf、eBPF 等。
ftrace 最早用于函数跟踪,后来又扩展支持了各种事件跟踪功能。ftrace 的使用接口跟我们之前提到的 procfs 类似,它通过 debugfs(4.1 以后也支持 tracefs),以普通文件的形式,向用户空间提供访问接口。
这样,不需要额外的工具,你就可以通过挂载点(通常为 /sys/kernel/debug/tracing 目录)内的文件读写,来跟 ftrace 交互,跟踪内核或者应用程序的运行事件。
perf 来自定义动态事件(perf probe),只关注真正感兴趣的事件。
eBPF 则在 BPF(Berkeley Packet Filter)的基础上扩展而来,不仅支持事件跟踪机制,还可以通过自定义的 BPF 代码(使用 C 语言)来自由扩展。所以,eBPF 实际上就是常驻于内核的运行时,可以说就是 Linux 版的 DTrace。
除此之外,还有很多内核外的工具,也提供了丰富的动态追踪功能。最常见的就是前面提到的 SystemTap,我们之前多次使用过的 BCC(BPF Compiler Collection ),以及常用于容器性能分析的 sysdig 等。
ftrace
ftrace 通过 debugfs(或者 tracefs),为用户空间提供接口。所以使用 ftrace,往往是从切换到 debugfs 的挂载点开始。
$ cd /sys/kernel/debug/tracing
$ ls
README instances set_ftrace_notrace trace_marker_raw
available_events kprobe_events set_ftrace_pid trace_options
...
如果这个目录不存在,则说明你的系统还没有挂载 debugfs,你可以执行下面的命令来挂载它:
$ mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug
ftrace 提供了多个跟踪器,用于跟踪不同类型的信息,比如函数调用、中断关闭、进程调度等。具体支持的跟踪器取决于系统配置,你可以执行下面的命令,来查询所有支持的跟踪器:
$ cat available_tracers
hwlat blk mmiotrace function_graph wakeup_dl wakeup_rt wakeup function nop
function 表示跟踪函数的执行,function_graph 则是跟踪函数的调用关系,也就是生成直观的 调用关系图。这便是最常用的两种跟踪器。
使用 ftrace 前,还需要确认跟踪目标,包括内核函数和内核事件。其中,
- 函数是内核中的函数名。
- 事件是内核源码中预先定义的跟踪点。
执行下面的命令,来查询支持的函数和事件:
$ cat available_filter_functions
$ cat available_events