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通過 ftrace 來分析 Linux 內(nèi)核

作者：Gaurav Kamathe
系統(tǒng) Linux
在之前的文章里我介紹了如何使用 strace 來追蹤系統(tǒng)調(diào)用。然而，使用 strace 時你的視野是有限的。它允許你查看特定參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用。并在工作完成后，看到其返回值或狀態(tài)，以表明是成功還是失敗。但是你無法知道內(nèi)核在這段時間內(nèi)發(fā)生了什么。除了系統(tǒng)調(diào)用外，還有很多......

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通過 ftrace 來了解 Linux 內(nèi)核內(nèi)部工作方式是一個好方法。

操作系統(tǒng)的內(nèi)核是最難以理解的軟件之一。自從你的系統(tǒng)啟動后，它會一直在后臺運行。盡管每個用戶都不與內(nèi)核直接交互，但他們在內(nèi)核的幫助下完成自己的計算任務(wù)。與內(nèi)核的交互發(fā)生在調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用或者用戶日常使用的各種庫或應(yīng)用間接調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用。

在之前的文章里我介紹了如何使用 strace 來追蹤系統(tǒng)調(diào)用。然而，使用 strace 時你的視野是有限的。它允許你查看特定參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用。并在工作完成后，看到其返回值或狀態(tài)，以表明是成功還是失敗。但是你無法知道內(nèi)核在這段時間內(nèi)發(fā)生了什么。除了系統(tǒng)調(diào)用外，還有很多其他活動內(nèi)核中發(fā)生，而你卻視而不見。

ftrace 介紹

本文的旨在通過使用一個名為 ftrace 的機(jī)制來闡明追蹤內(nèi)核函數(shù)的一些情況。它使得任何 Linux 用戶可以輕松地追蹤內(nèi)核，并且了解更多關(guān)于 Linux 內(nèi)核內(nèi)部如何工作。

ftrace 默認(rèn)產(chǎn)生的輸出往往是巨大的，因為內(nèi)核總是忙碌的。為了節(jié)省空間，很多情況下我會通過截斷來給出盡量小的輸出。

我使用 Fedora 來演示下面的例子，但是它們應(yīng)該在其他最新的 Linux 發(fā)行版上同樣可以運行。

啟用 ftrace

ftrace 現(xiàn)在已經(jīng)是內(nèi)核中的一部分了，你不再需要事先安裝它了。也就是說，如果你在使用最近的 Linux 系統(tǒng)，那么 ftrace 是已經(jīng)啟用了的。為了驗證 ftrace 是否可用，運行 mount 命令并查找 tracefs。如果你看到類似下面的輸出，表示 ftrace 已經(jīng)啟用，你可以輕松地嘗試本文中下面的例子。下面有些命令需要在 root 用戶下使用（用 sudo 執(zhí)行是不夠的）。

  1. # mount | grep tracefs
  2. none on /sys/kernel/tracing type tracefs (rw,relatime,seclabel)

要想使用 ftrace，你首先需要進(jìn)入上面 mount 命令中找到的特定目錄中，在那個目錄下運行文章中的其他命令。

  1. # cd /sys/kernel/tracing

一般的工作流程

首先，你需要理解捕捉蹤跡和獲取輸出的一般流程。如果你直接運行 ftrace，不會運行任何特定的 ftrace 命令。相反的，基本操作是通過標(biāo)準(zhǔn) Linux 命令來寫入或讀取一些文件。

一般的步驟如下：

  1. 通過寫入一些特定文件來啟用/結(jié)束追蹤
  2. 通過寫入一些特定文件來設(shè)置/取消追蹤時的過濾規(guī)則
  3. 從文件中讀取基于第 1 和 2 步的追蹤輸出
  4. 從文件中清除早期輸出或緩沖區(qū)
  5. 縮小到你的特定用例（你要追蹤的內(nèi)核函數(shù)），重復(fù) 1、2、3、4 步

可用的追蹤器類型

有多種不同的追蹤器可供使用。之前提到，在運行任何命令前，你需要進(jìn)入一個特定的目錄下，因為需要的文件在這些目錄下。我在我的例子中使用了相對路徑（而不是絕對路徑）。

你可以查看 available_tracers 文件內(nèi)容來查看所有可用的追蹤器類型。你可以看下面列出了幾個。不需要擔(dān)心這些：

  1. $ pwd
  2. /sys/kernel/tracing
  3.  
  4. $ sudo cat available_tracers
  5. hwlat blk mmiotrace function_graph wakeup_dl wakeup_rt wakeup function nop

在所有輸出的追蹤器中，我會聚焦于下面三個特殊的：啟用追蹤的 function 和 function_graph，以及停止追蹤的 nop。

確認(rèn)當(dāng)前的追蹤器

通常情況默認(rèn)的追蹤器設(shè)定為 nop。即在特殊文件中 current_tracer 中的 “無操作”，這意味著追蹤目前是關(guān)閉的：

  1. $ pwd
  2. /sys/kernel/tracing
  3.  
  4. $ sudo cat current_tracer
  5. nop

查看追蹤輸出

在啟用任何追蹤功能之前，請你看一下保存追蹤輸出的文件。你可以用 cat 命令查看名為 trace 的文件的內(nèi)容：

  1. # cat trace
  2.  
  3. # tracer: nop
  4. #
  5. # entries-in-buffer/entries-written: 0/0   #P:8
  6. #
  7. #                                _-----=> irqs-off
  8. #                               / _----=> need-resched
  9. #                              | / _---=> hardirq/softirq
  10. #                              || / _--=> preempt-depth
  11. #                              ||| /     delay
  12. #           TASK-PID     CPU#  ||||   TIMESTAMP  FUNCTION
  13. #              | |         |   ||||      |         |

啟用 function 追蹤器

你可以通過向 current_tracer 文件寫入 function 來啟用第一個追蹤器 function（文件原本內(nèi)容為 nop，意味著追蹤是關(guān)閉的）。把這個操作看成是啟用追蹤的一種方式：

  1. $ pwd
  2. /sys/kernel/tracing
  3.  
  4. $ sudo cat current_tracer
  5. nop
  6. $ echo function > current_tracer
  7. $
  8. $ cat current_tracer
  9. function

查看 function 追蹤器的更新追蹤輸出

現(xiàn)在你已啟用追蹤，是時候查看輸出了。如果你查看 trace 文件內(nèi)容，你將會看到許多被連續(xù)寫入的內(nèi)容。我通過管道只展示了文件內(nèi)容的前 20 行。根據(jù)左邊輸出的標(biāo)題，你可以看到在某個 CPU 上運行的任務(wù)和進(jìn)程 ID。根據(jù)右邊輸出的內(nèi)容，你可以看到具體的內(nèi)核函數(shù)和其父函數(shù)。中間顯示了時間戳信息：

  1. # sudo cat trace | head -20
  2.  
  3. # tracer: function
  4. #
  5. # entries-in-buffer/entries-written: 409936/4276216   #P:8
  6. #
  7. #                                _-----=> irqs-off
  8. #                               / _----=> need-resched
  9. #                              | / _---=> hardirq/softirq
  10. #                              || / _--=> preempt-depth
  11. #                              ||| /     delay
  12. #           TASK-PID     CPU#  ||||   TIMESTAMP  FUNCTION
  13. #              | |         |   ||||      |         |
  14.           <idle>-0       [000] d...  2088.841739: tsc_verify_tsc_adjust <-arch_cpu_idle_enter
  15.           <idle>-0       [000] d...  2088.841739: local_touch_nmi <-do_idle
  16.           <idle>-0       [000] d...  2088.841740: rcu_nocb_flush_deferred_wakeup <-do_idle
  17.           <idle>-0       [000] d...  2088.841740: tick_check_broadcast_expired <-do_idle
  18.           <idle>-0       [000] d...  2088.841740: cpuidle_get_cpu_driver <-do_idle
  19.           <idle>-0       [000] d...  2088.841740: cpuidle_not_available <-do_idle
  20.           <idle>-0       [000] d...  2088.841741: cpuidle_select <-do_idle
  21.           <idle>-0       [000] d...  2088.841741: menu_select <-do_idle
  22.           <idle>-0       [000] d...  2088.841741: cpuidle_governor_latency_req <-menu_select

請記住當(dāng)追蹤打開后，這意味著追蹤結(jié)果會被一直連續(xù)寫入直至你關(guān)閉追蹤。

關(guān)閉追蹤

關(guān)閉追蹤是簡單的。你只需要在 current_tracer 文件中用 nop 替換 function 追蹤器即可：

  1. $ sudo cat current_tracer
  2. function
  3.  
  4. $ sudo echo nop > current_tracer
  5.  
  6. $ sudo cat current_tracer
  7. nop

啟用 function_graph 追蹤器

現(xiàn)在嘗試第二個名為 function_graph 的追蹤器。你可以使用和上面相同的步驟：在 current_tracer 文件中寫入 function_graph：

  1. $ sudo echo function_graph > current_tracer
  2.  
  3. $ sudo cat current_tracer
  4. function_graph

function_tracer 追蹤器的追蹤輸出

注意到目前 trace 文件的輸出格式已經(jīng)發(fā)生變化?，F(xiàn)在，你可以看到 CPU ID 和內(nèi)核函數(shù)的執(zhí)行時長。接下來，一個花括號表示一個函數(shù)的開始，以及它內(nèi)部調(diào)用了哪些其他函數(shù)：

  1. # cat trace | head -20
  2.  
  3. # tracer: function_graph
  4. #
  5. # CPU  DURATION                  FUNCTION CALLS
  6. # |     |   |                     |   |   |   |
  7.  6)               |              n_tty_write() {
  8.  6)               |                down_read() {
  9.  6)               |                  __cond_resched() {
  10.  6)   0.341 us    |                    rcu_all_qs();
  11.  6)   1.057 us    |                  }
  12.  6)   1.807 us    |                }
  13.  6)   0.402 us    |                process_echoes();
  14.  6)               |                add_wait_queue() {
  15.  6)   0.391 us    |                  _raw_spin_lock_irqsave();
  16.  6)   0.359 us    |                  _raw_spin_unlock_irqrestore();
  17.  6)   1.757 us    |                }
  18.  6)   0.350 us    |                tty_hung_up_p();
  19.  6)               |                mutex_lock() {
  20.  6)               |                  __cond_resched() {
  21.  6)   0.404 us    |                    rcu_all_qs();
  22.  6)   1.067 us    |                  }

啟用追蹤的設(shè)置來增加追蹤的深度

你可以使用下面的步驟來調(diào)整追蹤器以看到更深層次的函數(shù)調(diào)用。完成之后，你可以查看 trace 文件的內(nèi)容并發(fā)現(xiàn)輸出變得更加詳細(xì)了。為了文章的可讀性，這個例子的輸出被省略了：

  1. # cat max_graph_depth
  2. 0
  3.  
  4. # echo 1 > max_graph_depth ## or:
  5. # echo 2 > max_graph_depth
  6.  
  7. # sudo cat trace

查找要追蹤的函數(shù)

上面的步驟足以讓你開始追蹤。但是它產(chǎn)生的輸出內(nèi)容是巨大的，當(dāng)你想試圖找到自己感興趣的內(nèi)容時，往往會很困難。通常你更希望能夠只追蹤特定的函數(shù)，而忽略其他函數(shù)。但如果你不知道它們確切的名稱，你怎么知道要追蹤哪些進(jìn)程？有一個文件可以幫助你解決這個問題 —— available_filter_functions 文件提供了一個可供追蹤的函數(shù)列表：

  1. $ sudo wc -l available_filter_functions  
  2. 63165 available_filter_functions

查找一般的內(nèi)核函數(shù)

現(xiàn)在試著搜索一個你所知道的簡單內(nèi)核函數(shù)。用戶空間由 malloc 函數(shù)用來分配內(nèi)存，而內(nèi)核由 kmalloc 函數(shù)，它提供類似的功能。下面是所有與 kmalloc 相關(guān)的函數(shù)：

  1. $ sudo grep kmalloc available_filter_functions
  2. debug_kmalloc
  3. mempool_kmalloc
  4. kmalloc_slab
  5. kmalloc_order
  6. kmalloc_order_trace
  7. kmalloc_fix_flags
  8. kmalloc_large_node
  9. __kmalloc
  10. __kmalloc_track_caller
  11. __kmalloc_node
  12. __kmalloc_node_track_caller
  13. [...]

查找內(nèi)核模塊或者驅(qū)動相關(guān)函數(shù)

在 available_filter_functions 文件的輸出中，你可以看到一些以括號內(nèi)文字結(jié)尾的行，例如下面的例子中的 [kvm_intel]。這些函數(shù)與當(dāng)前加載的內(nèi)核模塊 kvm_intel 有關(guān)。你可以運行 lsmod 命令來驗證：

  1. $ sudo grep kvm available_filter_functions | tail
  2. __pi_post_block [kvm_intel]
  3. vmx_vcpu_pi_load [kvm_intel]
  4. vmx_vcpu_pi_put [kvm_intel]
  5. pi_pre_block [kvm_intel]
  6. pi_post_block [kvm_intel]
  7. pi_wakeup_handler [kvm_intel]
  8. pi_has_pending_interrupt [kvm_intel]
  9. pi_update_irte [kvm_intel]
  10. vmx_dump_dtsel [kvm_intel]
  11. vmx_dump_sel [kvm_intel]
  12.  
  13. $ lsmod  | grep -i kvm
  14. kvm_intel             335872  0
  15. kvm                   987136  1 kvm_intel
  16. irqbypass              16384  1 kvm

僅追蹤特定的函數(shù)

為了實現(xiàn)對特定函數(shù)或模式的追蹤，你可以利用 set_ftrace_filter 文件來指定你要追蹤上述輸出中的哪些函數(shù)。這個文件也接受 * 模式，它可以擴(kuò)展到包括具有給定模式的其他函數(shù)。作為一個例子，我在我的機(jī)器上使用 ext4 文件系統(tǒng)。我可以用下面的命令指定 ext4 的特定內(nèi)核函數(shù)來追蹤：

  1. # mount | grep home
  2. /dev/mapper/fedora-home on /home type ext4 (rw,relatime,seclabel)
  3.  
  4. # pwd
  5. /sys/kernel/tracing
  6.  
  7. # cat set_ftrace_filter
  8.  
  9. #### all functions enabled ####
  10. $
  11. $ echo ext4_* > set_ftrace_filter
  12. $
  13. $ cat set_ftrace_filter
  14. ext4_has_free_clusters
  15. ext4_validate_block_bitmap
  16. ext4_get_group_number
  17. ext4_get_group_no_and_offset
  18. ext4_get_group_desc
  19. [...]

現(xiàn)在當(dāng)你可以看到追蹤輸出時，你只能看到與內(nèi)核函數(shù)有關(guān)的 ext4 函數(shù)，而你之前已經(jīng)為其設(shè)置了一個過濾器。所有其他的輸出都被忽略了：

  1. # cat trace |head -20
  2.  
  3. ## tracer: function
  4. #
  5. # entries-in-buffer/entries-written: 3871/3871   #P:8
  6. #
  7. #                                _-----=> irqs-off
  8. #                               / _----=> need-resched
  9. #                              | / _---=> hardirq/softirq
  10. #                              || / _--=> preempt-depth
  11. #                              ||| /     delay
  12. #           TASK-PID     CPU#  ||||   TIMESTAMP  FUNCTION
  13. #              | |         |   ||||      |         |
  14.            cupsd-1066    [004] ....  3308.989545: ext4_file_getattr <-vfs_fstat
  15.            cupsd-1066    [004] ....  3308.989547: ext4_getattr <-ext4_file_getattr
  16.            cupsd-1066    [004] ....  3308.989552: ext4_file_getattr <-vfs_fstat
  17.            cupsd-1066    [004] ....  3308.989553: ext4_getattr <-ext4_file_getattr
  18.            cupsd-1066    [004] ....  3308.990097: ext4_file_open <-do_dentry_open
  19.            cupsd-1066    [004] ....  3308.990111: ext4_file_getattr <-vfs_fstat
  20.            cupsd-1066    [004] ....  3308.990111: ext4_getattr <-ext4_file_getattr
  21.            cupsd-1066    [004] ....  3308.990122: ext4_llseek <-ksys_lseek
  22.            cupsd-1066    [004] ....  3308.990130: ext4_file_read_iter <-new_sync_read

排除要被追蹤的函數(shù)

你并不總是知道你想追蹤什么，但是，你肯定知道你不想追蹤什么。因此，有一個 set_ftrace_notrace —— 請注意其中的 “no”。你可以在這個文件中寫下你想要的模式，并啟用追蹤。這樣除了所提到的模式外，任何其他東西都會被追蹤到。這通常有助于刪除那些使我們的輸出變得混亂的普通功能：

  1. $ sudo cat set_ftrace_notrace
  2. #### no functions disabled ####

具有目標(biāo)性的追蹤

到目前為止，你一直在追蹤內(nèi)核中發(fā)生的一切。但是，它無法幫助你追蹤與某個特定命令有關(guān)的事件。為了達(dá)到這個目的，你可以按需打開和關(guān)閉跟蹤，并且在它們之間，運行我們選擇的命令，這樣你就不會在跟蹤輸出中得到額外的輸出。你可以通過向 tracing_on 寫入 1 來啟用跟蹤，寫 0 來關(guān)閉跟蹤。

  1. # cat tracing_on
  2. 0
  3.  
  4. # echo 1 > tracing_on
  5.  
  6. # cat tracing_on
  7. 1
  8.  
  9. ### Run some specific command that we wish to trace here ###
  10.  
  11. # echo 0 > tracing_on
  12.  
  13. # cat tracing_on
  14. 0

追蹤特定的 PID

如果你想追蹤與正在運行的特定進(jìn)程有關(guān)的活動，你可以將該 PID 寫入一個名為 set_ftrace_pid 的文件，然后啟用追蹤。這樣一來，追蹤就只限于這個 PID，這在某些情況下是非常有幫助的。

  1. $ sudo echo $PID > set_ftrace_pid

總結(jié)

ftrace 是一個了解 Linux 內(nèi)核內(nèi)部工作的很好方式。通過一些練習(xí)，你可以學(xué)會對 ftrace 進(jìn)行調(diào)整以縮小搜索范圍。要想更詳細(xì)地了解 ftrace 和它的高級用法，請看 ftrace 的核心作者 Steven Rostedt 寫的這些優(yōu)秀文章。

 

 

責(zé)任編輯：龐桂玉 來源： Linux中國
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