Linux 中的 DTrace ：BPF 进入 4.9 内核
本文作者 Brendan Gregg 目前是 Netflix 的高级性能架构师 ，他在那里做大规模计算机性能设计、分析和调优。他是《Systems Performance》等技术书的作者，因在系统管理员方面的成绩，获得过 2013年 USENIX LISA 大奖。他之前是 SUN 公司是性能领头人和内核工程师，研究存储和网络性能。他也发明和开发过一大波性能分析工具，很多已集成到操作系统中了 。
随着 BPF 追踪系统（基于时间采样）最后一个主要功能被合并至 Linux 4.9-rc1 版本的内核中，现在 Linux 内核拥有类似 DTrace 的原生追踪功能。DTrace 是 Solaris 系统中的高级追踪器。对于长期使用 DTrace 的用户和专家，这将是一个振奋人心的里程碑！现在在 Linux 系统上，你可以在生产环境中使用安全的、低负载的定制追踪系统，通过执行时间的柱状图和频率统计等信息，分析应用的性能以及内核。
用于 Linux 的追踪项目有很多，但是这个最终被合并进 Linux 内核的技术从一开始就根本不是一个追踪项目：它是最开始是用于 伯克利包过滤器 （BPF）的增强功能。这些补丁允许 BPF 重定向数据包，从而创建软件定义网络（SDN）。久而久之，对事件追踪的支持就被添加进来了，使得程序追踪可用于 Linux 系统。
尽管目前 BPF 没有像 DTrace 一样的高级语言，但它所提供的前端已经足够让我创建很多 BPF 工具了，其中有些是基于我以前的 DTraceToolkit。这个帖子将告诉你怎么去用这些 BPF 提供的前端工具，以及畅谈这项技术将会何去何从。
示例
我已经将基于 BPF 的追踪工具添加到了开源的 bcc 项目里（感谢 PLUMgrid 公司的 Brenden Blanco 带领 bcc 项目的发展）。详见 bcc 安装 手册。它会在 /usr/share/bcc/tools 目录下添加一系列工具，包括接下来的那些工具。
捕获新进程：
# execsnoop
PCOMM PID RET ARGS
bash 15887 0 /usr/bin/man ls
preconv 15894 0 /usr/bin/preconv -e UTF-8
man 15896 0 /usr/bin/tbl
man 15897 0 /usr/bin/nroff -mandoc -rLL=169n -rLT=169n -Tutf8
man 15898 0 /usr/bin/pager -s
nroff 15900 0 /usr/bin/locale charmap
nroff 15901 0 /usr/bin/groff -mtty-char -Tutf8 -mandoc -rLL=169n -rLT=169n
groff 15902 0 /usr/bin/troff -mtty-char -mandoc -rLL=169n -rLT=169n -Tutf8
groff 15903 0 /usr/bin/grotty
硬盘 I/O 延迟的柱状图：
# biolatency -m
Tracing block device I/O... Hit Ctrl-C to end.
^C
msecs : count distribution
0 -> 1 : 96 |************************************ |
2 -> 3 : 25 |********* |
4 -> 7 : 29 |*********** |
8 -> 15 : 62 |*********************** |
16 -> 31 : 100 |**************************************|
32 -> 63 : 62 |*********************** |
64 -> 127 : 18 |****** |
追踪慢于 5 毫秒的 ext4 常见操作：
# ext4slower 5
Tracing ext4 operations slower than 5 ms
TIME COMM PID T BYTES OFF_KB LAT(ms) FILENAME
21:49:45 supervise 3570 W 18 0 5.48 status.new
21:49:48 supervise 12770 R 128 0 7.55 run
21:49:48 run 12770 R 497 0 16.46 nsswitch.conf
21:49:48 run 12770 R 1680 0 17.42 netflix_environment.sh
21:49:48 run 12770 R 1079 0 9.53 service_functions.sh
21:49:48 run 12772 R 128 0 17.74 svstat
21:49:48 svstat 12772 R 18 0 8.67 status
21:49:48 run 12774 R 128 0 15.76 stat
21:49:48 run 12777 R 128 0 7.89 grep
21:49:48 run 12776 R 128 0 8.25 ps
21:49:48 run 12780 R 128 0 11.07 xargs
21:49:48 ps 12776 R 832 0 12.02 libprocps.so.4.0.0
21:49:48 run 12779 R 128 0 13.21 cut
[...]
追踪新建的 TCP 活跃连接（connect()）:
# tcpconnect
PID COMM IP SADDR DADDR DPORT
1479 telnet 4 127.0.0.1 127.0.0.1 23
1469 curl 4 10.201.219.236 54.245.105.25 80
1469 curl 4 10.201.219.236 54.67.101.145 80
1991 telnet 6 ::1 ::1 23
2015 ssh 6 fe80::2000:bff:fe82:3ac fe80::2000:bff:fe82:3ac 22
通过跟踪 getaddrinfo()/gethostbyname() 库的调用来追踪 DNS 延迟：
# gethostlatency
TIME PID COMM LATms HOST
06:10:24 28011 wget 90.00 www.iovisor.org
06:10:28 28127 wget 0.00 www.iovisor.org
06:10:41 28404 wget 9.00 www.netflix.com
06:10:48 28544 curl 35.00 www.netflix.com.au
06:11:10 29054 curl 31.00 www.plumgrid.com
06:11:16 29195 curl 3.00 www.facebook.com
06:11:25 29404 curl 72.00 foo
06:11:28 29475 curl 1.00 foo
按类别划分 VFS 操作的时间间隔统计：
# vfsstat
TIME READ/s WRITE/s CREATE/s OPEN/s FSYNC/s
18:35:32: 231 12 4 98 0
18:35:33: 274 13 4 106 0
18:35:34: 586 86 4 251 0
18:35:35: 241 15 4 99 0
对一个给定的 PID，通过内核和用户堆栈轨迹来追踪 CPU 处理之外的时间（由内核进行统计）：
# offcputime -d -p 24347
Tracing off-CPU time (us) of PID 24347 by user + kernel stack... Hit Ctrl-C to end.
^C
[...]
ffffffff810a9581 finish_task_switch
ffffffff8185d385 schedule
ffffffff81085672 do_wait
ffffffff8108687b sys_wait4
ffffffff81861bf6 entry_SYSCALL_64_fastpath
--
00007f6733a6b64a waitpid
- bash (24347)
4952
ffffffff810a9581 finish_task_switch
ffffffff8185d385 schedule
ffffffff81860c48 schedule_timeout
ffffffff810c5672 wait_woken
ffffffff8150715a n_tty_read
ffffffff815010f2 tty_read
ffffffff8122cd67 __vfs_read
ffffffff8122df65 vfs_read
ffffffff8122f465 sys_read
ffffffff81861bf6 entry_SYSCALL_64_fastpath
--
00007f6733a969b0 read
- bash (24347)
1450908
追踪 MySQL 查询延迟（通过 USDT 探针）：
# mysqld_qslower `pgrep -n mysqld`
Tracing MySQL server queries for PID 14371 slower than 1 ms...
TIME(s) PID MS QUERY
0.000000 18608 130.751 SELECT * FROM words WHERE word REGEXP '^bre.*n$'
2.921535 18608 130.590 SELECT * FROM words WHERE word REGEXP '^alex.*$'
4.603549 18608 24.164 SELECT COUNT(*) FROM words
9.733847 18608 130.936 SELECT count(*) AS count FROM words WHERE word REGEXP '^bre.*n$'
17.864776 18608 130.298 SELECT * FROM words WHERE word REGEXP '^bre.*n$' ORDER BY word
监测 pam 库并使用多种追踪工具观察登录请求：
# trace 'pam:pam_start "%s: %s", arg1, arg2'
TIME PID COMM FUNC -
17:49:45 5558 sshd pam_start sshd: root
17:49:47 5662 sudo pam_start sudo: root
17:49:49 5727 login pam_start login: bgregg
bcc 项目里的很多工具都有帮助信息（-h 选项），并且都应该包含有示例的 man 页面和文本文件。
必要性
2014 年，Linux 追踪程序就有一些内核相关的特性（来自 ftrace 和 pref_events），但是我们仍然要转储并报告进程数据，这种几十年前的老技术有很多的限制。你不能频繁地访问进程名、函数名、堆栈轨迹或内核中的任意的其它数据。你不能在将变量保存到一个监测事件里，又在另一个事件里访问它们，这意味着你不能在你需要的地方计算延迟（或者说时间增量）。你也不能创建一个内核内部的延迟柱状图，也不能追踪 USDT 探针，甚至不能写个自定义的程序。DTrace 可以做到所有这些，但仅限于 Solaris 或 BSD 系统。在 Linux 系统中，有些不在主线内核的追踪器，比如 SystemTap 就可以满足你的这些需求，但它也有自身的不足。（理论上说，你可以写一个基于探针的内核模块来满足需求-但实际上没人这么做。）
2014 年我加入了 Netflix cloud performance 团队。做了这么久的 DTrace 方面的专家，转到 Linux 对我来说简直不可思议。但我确实这么做了，而且遇到了巨大的挑战：在应用快速变化、采用微服务架构和分布式系统的情况下，调优 Netflix cloud。有时要用到系统追踪，而我之前是用的 DTrace。在 Linux 系统上可没有 DTrace，我就开始用 Linux 内核内建的 ftrace 和 perf_events 工具，构建了一个追踪工具（perf-tools）。这些工具很有用，但有些工作还是没法完成，尤其是延迟柱状图以及堆栈踪迹计数。我们需要的是内核追踪的可程序化。
发生了什么？
BPF 将程序化的功能添加到现有的内核追踪工具中（tracepoints、kprobes、uprobes）。在 Linux 4.x 系列的内核里，这些功能大大加强了。
时间采样是最主要的部分，它被 Linux 4.9-rc1 所采用（patchset）。十分感谢 Alexei Starovoitov（在 Facebook 致力于 BPF 的开发），他是这些 BPF 增强功能的主要开发者。
Linux 内核现在内建有以下这些特性（自 2.6 版本到 4.9 版本之间增加）：
- 内核级的动态追踪（BPF 对
kprobes的支持） - 用户级的动态追踪（BPF 对
uprobes的支持） - 内核级的静态追踪（BPF 对
tracepoints的支持） - 时间采样事件（BPF 的
pref_event_open） - PMC 事件（BPF 的
pref_event_open） - 过滤器（通过 BPF 程序）
- 调试输出（
bpf_trace_printk()） - 按事件输出（
bpf_perf_event_output()） - 基础变量（全局的和每个线程的变量，基于 BPF 映射）
- 关联数组（通过 BPF 映射）
- 频率计数（基于 BPF 映射）
- 柱状图（2 的冥次方、线性及自定义，基于 BPF 映射）
- 时间戳和时间增量（
bpf_ktime_get_ns()，和 BPF 程序） - 内核态的堆栈轨迹（BPF 栈映射）
- 用户态的堆栈轨迹 (BPF 栈映射)
- 重写 ring 缓存（
pref_event_attr.write_backward）
我们采用的前端是 bcc，它同时提供 Python 和 lua 接口。bcc 添加了：
- 用户级静态追踪（基于
uprobes的 USDT 探针） - 调试输出（Python 中调用
BPF.trace_pipe()和BPF.trace_fields()函数 ） - 按事件输出（
BPF_PERF_OUTPUT宏和BPF.open_perf_buffer()） - 间隔输出（
BPF.get_table()和table.clear()） - 打印柱状图（
table.print_log2_hist()） - 内核级的 C 结构体导航（bcc 重写器映射到
bpf_probe_read()函数） - 内核级的符号解析（
ksym()、ksymaddr()） - 用户级的符号解析（
usymaddr()） - BPF 跟踪点支持（通过
TRACEPOINT_PROBE） - BPF 堆栈轨迹支持（包括针对堆栈框架的
walk方法） - 其它各种辅助宏和方法
- 例子（位于
/examples目录） - 工具（位于
/tools目录） - 教程（
/docs/tutorial*.md） - 参考手册（
/docs/reference_guide.md）
直到最新也是最主要的特性被整合进来，我才开始写这篇文章，现在它在 4.9-rc1 内核中。我们还需要去完成一些次要的东西，还有另外一些事情要做，但是现在我们所拥有的已经值得欢呼了。现在 Linux 拥有了内建的高级追踪能力。
安全性
设计 BPF 及其增强功能时就考虑到生产环境级安全，它被用在大范围的生产环境里。不过你想的话，你还是可以找到一个挂起内核的方法。这种情况是偶然的，而不是必然，类似的漏洞会被快速修复，尤其是当 BPF 合并入了 Linux。因为 Linux 可是公众的焦点。
在开发过程中我们碰到了一些非 BPF 的漏洞，它们需要被修复：rcu 不可重入，这可能导致内核由于 funccount 挂起，在 4.6 内核版本中这个漏洞被 “bpf: map pre-alloc” 补丁集所修复，旧版本内核的漏洞 bcc 有个临时处理方案。还有一个是 uprobe 的内存计算问题，这导致 uprobe 分配内存失败，在 4.8 内核版本这个漏洞由 “uprobes: Fix the memcg accounting” 补丁所修复，并且该补丁还将被移植到之前版本的内核中（例如，它现在被移植到了 4.4.27 和 4.4.0-45.66 版本中）。
为什么 Linux 追踪用了这么久才加进来？
首要任务被分到了若干追踪器中间：这些不是某个追踪器单个的事情。想要了解更多关于这个或其它方面的问题，可以看一看我在 2014 年 tracing summit 上的讲话。我忽视了部分方案的反面影响：有些公司发现其它追踪器（SystemTap 和 LTTng）能满足他们的需求，尽管他们乐于听到 BPF 的开发进程，但考虑到他们现有的解决方案，帮助 BPF 的开发就不那么重要了。
BPF 仅在近两年里在追踪领域得到加强。这一过程原本可以更快的，但早期缺少全职从事于 BPF 追踪的工程师。Alexei Starovoitov (BPF 领导者)，Brenden Blanco (bcc 领导者)，我还有其它一些开发者，都有其它的事情要做。我在 Netflix 公司花了大量时间（志愿地），大概有 7% 的时间是花在 BPF 和 bcc 上。某种程度上这不是我的首要任务，因为我还有自己的工作（包括我的 perf-tools，一个可以工作在旧版本内核上的程序）。
现在BPF 追踪器已经推出了，已经有科技公司开始寻找会 BPF 的人了。但我还是推荐 Netflix 公司。（如果你为了 BPF 而要聘请我，那我还是十分乐于待在 Netflix 公司的！）
使用简单
DTrace 和 bcc/BPF 现在的最大区别就是哪个更好使用。这取决于你要用 BPF 追踪做什么了。如果你要
- 使用 BPF 工具/度量：应该是没什么区别的。工具的表现都差不多，图形用户界面都能取得类似度量指标。大部分用户通过这种方式使用 BPF。
- 开发工具/度量：bcc 的开发可难多了。DTrace 有一套自己的简单语言，D 语音，和 awk 语言相似，而 bcc 使用已有的语言（C 语言，Python 和 lua）及其类库。一个用 C 和 Python 写的 bcc 工具与仅仅用 D 语言写出来的工具相比，可能要多十多倍行数的代码，或者更多。但是很多 DTrace 工具用 shell 封装来提供参数和差错检查，会让代码变得十分臃肿。编程的难处是不同的：重写 bcc 更需要巧妙性，这导致某些脚本更加难开发。（尤其是
bpf_probe_read()这类的函数，需要了解更多 BPF 的内涵知识）。当计划改进 bcc 时，这一情形将得到改善。 - 运行常见的命令：十分相近。通过
dtrace命令，DTrace 能做很多事，但 bcc 有各种工具，trace、argdist、funccount、funclatency等等。 - 编写自定义的特殊命令：使用 DTrace 的话，这就没有必要了。允许定制消息快速传递和系统快速响应，DTrace 的高级分析很快。而 bcc 现在受限于它的多种工具以及它们的适用范围。
简单来说，如果你只使用 BPF 工具的话，就不必关注这些差异了。如果你经验丰富，是个开发者（像我一样），目前 bcc 的使用更难一些。
举一个 bcc 的 Python 前端的例子，下面是追踪硬盘 I/O 并打印出 I/O 大小的柱状图代码：
from bcc import BPF
from time import sleep
# load BPF program
b = BPF(text="""
#include <uapi/linux/ptrace.h>
#include <linux/blkdev.h>
BPF_HISTOGRAM(dist);
int kprobe__blk_account_io_completion(struct pt_regs *ctx, struct request *req)
{
dist.increment(bpf_log2l(req->__data_len / 1024));
return 0;
}
""")
# header
print("Tracing... Hit Ctrl-C to end.")
# trace until Ctrl-C
try:
sleep(99999999)
except KeyboardInterrupt:
print
# output
b["dist"].print_log2_hist("kbytes")
注意 Python 代码中嵌入的 C 语句（text=）。
这就完成了任务，但仍有改进的空间。好在我们有时间去做：人们使用 Linux 4.9 并能用上 BPF 还得好几个月呢，所以我们有时间来制造工具和前端。
高级语言
前端越简单，比如高级语言，所改进的可能就越不如你所期望的。绝大多数人使用封装好的工具（和图形界面），仅有少部分人能写出这些工具。但我不反对使用高级语言，比如 SystemTap，毕竟已经开发出来了。
#!/usr/bin/stap
/*
* opensnoop.stp Trace file open()s. Basic version of opensnoop.
*/
probe begin
{
printf("\n%6s %6s %16s %s\n", "UID", "PID", "COMM", "PATH");
}
probe syscall.open
{
printf("%6d %6d %16s %s\n", uid(), pid(), execname(), filename);
}
如果拥有整合了语言和脚本的 SystemTap 前端与高性能的内置在内核中的 BPF 后端，会不会令人满意呢？RedHat 公司的 Richard Henderson 已经在进行相关工作了，并且发布了 初代版本！
这是 ply，一个完全新颖的 BPF 高级语言：
#!/usr/bin/env ply
kprobe:SyS_*
{
$syscalls[func].count()
}
这也是一份承诺。
尽管如此，我认为工具开发者的实际难题不是使用什么语言：而是要了解要用这些强大的工具做什么？
如何帮助我们
- 推广：BPF 追踪器目前还没有什么市场方面的进展。尽管有公司了解并在使用它（Facebook、Netflix、Github 和其它公司），但要广为人知尚需时日。你可以分享关于 BPF 的文章和资源给业内的其它公司来帮助我们。
- 教育：你可以撰写文章，发表演讲，甚至参与 bcc 文档的编写。分享 BPF 如何解决实际问题以及为公司带来收益的实例。
- 解决 bcc 的问题：参考 bcc issue list，这包含了错误和需要的特性。
- 提交错误：使用 bcc/BPF，提交你发现的错误。
- 创造工具：有很多可视化的工具需要开发，但请不要太草率，因为大家会先花几个小时学习使用你做的工具，所以请尽量把工具做的直观好用（参考我的文档）。就像 Mike Muuss 提及到他自己的 ping 程序：“要是我早知道这是我一生中最出名的成就，我就多开发一两天，添加更多选项。”
- 高级语言：如果现有的 bcc 前端语言让你很困扰，或许你能弄门更好的语言。要是你想将这门语言内建到 bcc 里面，你需要使用 libbcc。或者你可以帮助 SystemTap BPF 或 ply 的工作。
- 整合图形界面：除了 bcc 可以使用的 CLI 命令行工具，怎么让这些信息可视呢？延迟热点图，火焰图等等。
其它追踪器
那么 SystemTap、ktap、sysdig、LTTng 等追踪器怎么样呢？它们有个共同点，要么使用了 BPF，要么在自己的领域做得更好。会有单独的文章介绍它们自己。
至于 DTrace ？我们公司目前还在基于 FreeBSD 系统的 CDN 中使用它。
更多 bcc/BPF 的信息
我已经写了一篇《bcc/BPF 工具最终用户教程》，一篇《bcc Python 开发者教程》，一篇《bcc/BPF 参考手册》，并提供了一些有用的工具，每一个工具都有一个 example.txt 文件和 man page。我之前写过的关于 bcc 和 BPF 的文章有：
- eBPF: One Small Step （后来就叫做 BPF）
- bcc: Taming Linux 4.3+ Tracing Superpowers
- Linux eBPF Stack Trace Hack （现在官方支持追踪堆栈了）
- Linux eBPF Off-CPU Flame Graph
- Linux Wakeup and Off-Wake Profiling
- Linux Chain Graph Prototype
- Linux eBPF/bcc uprobes
- Linux BPF Superpowers
- Ubuntu Xenial bcc/BPF
- Linux bcc Tracing Security Capabilities
- Linux MySQL Slow Query Tracing with bcc/BPF
- Linux bcc ext4 Latency Tracing
- Linux bcc/BPF Run Queue (Scheduler) Latency
- Linux bcc/BPF Node.js USDT Tracing
- Linux bcc tcptop
- Linux 4.9’s Efficient BPF-based Profiler
我在 Facebook 的 Performance@Scale Linux BPF Superpowers 大会上发表过一次演讲。十二月份，我将在 Boston 发表关于 BPF/bcc 在 USENIX LISA 方面的演讲和教程。
致谢
- Van Jacobson 和 Steve McCanne，他们创建了最初用作过滤器的 BPF 。
- Barton P. Miller，Jeffrey K. Hollingsworth，and Jon Cargille，发明了动态追踪，并发表论文《Dynamic Program Instrumentation for Scalable Performance Tools》，可扩展高性能计算协议 （SHPCC），于田纳西州诺克斯维尔市，1994 年 5 月发表。
- kerninst (ParaDyn, UW-Madison)，展示了动态跟踪的价值的早期动态跟踪工具（上世纪 90 年代后期）
- Mathieu Desnoyers (在 LTTng)，内核的主要开发者，主导 tracepoints 项目。
- IBM 开发的作为 DProbes 一部分的 kprobes，DProbes 在 2000 年时曾与 LTT 一起提供 Linux 动态追踪，但没有整合到一起。
- Bryan Cantrill, Mike Shapiro, and Adam Leventhal (Sun Microsystems)，DTrace 的核心开发者，DTrace 是一款很棒的动态追踪工具，安全而且简单（2004 年）。对于动态追踪技术，DTrace 是科技的重要转折点：它很安全，默认安装在 Solaris 以及其它以可靠性著称的系统里。
- 来自 Sun Microsystems 的各部门的许多员工，促进了 DTrace，为我们带来了高级系统追踪的意识。
- Roland McGrath (在 Red Hat)，utrace 项目的主要开发者，utrace 变成了后来的 uprobes。
- Alexei Starovoitov (PLUMgrid， 后来是 Facebook)，加强版 BPF（可编程内核部件）的主要开发者。
- 那些帮助反馈、提交代码、测试以及针对增强版 BPF 补丁（请在 lkml 搜索 BPF）的 Linux 内核工程师： Wang Nan、 Daniel Borkmann、 David S. Miller、 Peter Zijlstra 以及其它很多人。
- Brenden Blanco (PLUMgrid)，bcc 的主要开发者。
- Sasha Goldshtein (Sela) 开发了 bcc 中的跟踪点支持，和功能最强大的 bcc 工具 trace 及 argdist，帮助 USDT 项目的开发。
- Vicent Martí 和其它 Github 上的工程师，为 bcc 编写了基于 lua 的前端，帮助 USDT 部分项目的开发。
- Allan McAleavy、 Mark Drayton，和其他的改进 bcc 的贡献者。
感觉 Netflix 提供的环境和支持，让我能够编写 BPF 和 bcc 跟踪器并完成它们。我已经编写了多年的追踪工具（使用 TNF/prex、DTrace、SystemTap、ktap、ftrace、perf，现在是 bcc/BPF），并写书、博客以及评论，
最后，感谢 Deirdré 编辑了另外一篇文章。
总结
Linux 没有 DTrace（语言），但它现在有了，或者说拥有了 DTraceTookit（工具）。
通过增强内置的 BPF 引擎，Linux 4.9 内核拥有了用来支持现代化追踪的最后一项能力。内核支持这一最难的部分已经做完了。今后的任务包括更多的命令行执行工具，以及高级语言和图形用户界面。
对于性能分析产品的客户，这也是一件好事：你能查看延迟柱状图和热点图，CPU 处理和 CPU 之外的火焰图，拥有更好的时延断点和更低耗的工具。在用户空间按包跟踪和处理是没有效率的方式。
那么你什么时候会升级到 Linux 4.9 呢？一旦官方发布，新的性能测试工具就来了：apt-get install bcc-tools 。
开始享受它吧!
Brendan
via: http://www.brendangregg.com/blog/2016-10-27/dtrace-for-linux-2016.html
作者：Brendan Gregg 译者：GitFuture 校对：wxy