動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)：Linux喜迎DTrace
通過前面幾篇文章的介紹，我們已經(jīng)可以通過一系列命令，從不同維度獲得操作系統(tǒng)當(dāng)前的性能運(yùn)行情況。 另外，借助類似Ganglia這樣的開源產(chǎn)品，持續(xù)不斷地實(shí)施性能數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，我們基于時(shí)間序列的歷史性能圖形，就可以大致判讀出計(jì)算集群的資源消耗情況和變化趨勢。 但是，僅僅這些還是不夠的，在很多情況下，我們希望能夠知道：“慢，是為什么慢;快，又是為什么快”。 如果要回答這個(gè)問題，就必須引入另外一件神兵利器：動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)(Dynamic Tracing)。
鑒于這套兵器過于復(fù)雜(牛逼)，屬于專家級技能， advanced performance analysis and troubleshooting tool。據(jù)稱掌握該技能需要耗費(fèi)大約100小時(shí)以上，所以如果不是對于系統(tǒng)性能問題有***追求，以及變態(tài)般地技術(shù)狂熱，建議繞過本文。
為了便于展開，今天先起個(gè)頭，重點(diǎn)梳理下動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)的發(fā)展簡史和目前的生態(tài)環(huán)境。更加具體詳細(xì)的內(nèi)容，會(huì)在后續(xù)的文章中陸續(xù)發(fā)表。
上月底，正當(dāng)全國人民翹首以盼光棍節(jié)的時(shí)候，開源社區(qū)傳來一則重要新聞： Linux 4.9-rc1發(fā)布，正式合并了一項(xiàng)重要特性：BPF追蹤(Timed sampling)。
系統(tǒng)性能領(lǐng)域的國際導(dǎo)師Brendan Gregg，感動(dòng)得都快哭了，當(dāng)即在Twitter上表示這是一個(gè)重要的里程碑! 他隨后又寫了一篇長文《DTrace for Linux 2016》，以示慶祝。
As a long time DTrace user and expert, this is an exciting milestone! --Brendan Gregg
Linux 合并了BPF而已嘛，跟DTrace這個(gè)勞什子有什么關(guān)系呢?
DTrace 是動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)的鼻祖，源自 Solaris 操作系統(tǒng)，提供了高級性能分析和調(diào)試功能，它的源代碼采用 CDDL 許可證，不兼容 Linux 內(nèi)核使用的 GPLv2 許可證，無法直接移植。 當(dāng)然，江湖上還有另外一種說法，Linux之所以一直沒有原生支持DTrace,是因?yàn)長inus 覺得這玩意沒什么必要。 Anyway,隨著 BPF跟蹤的***主要功能合并到 Linux 4.9-rc1，Linux 現(xiàn)在有了類似 DTrace 的高級分析和調(diào)試功能。
Linux 這次合并的BPF(The Berkeley Packet Filter )，和Ganglia一樣，來自于加州大學(xué)伯克利分校(這所大學(xué)很有意思，以后還要反復(fù)提到)。 BPF，顧名思義，最早只是一個(gè)純粹的封***濾器，大家比較熟知的netfilter，就是基于BPF實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)編譯器。 后來在很多牛人的參與下，進(jìn)行了擴(kuò)展，得到了一個(gè)所謂的 eBPF，可以作為某種更加通用的內(nèi)核虛擬機(jī)。 通過這種機(jī)制，我們其實(shí)可以在 Linux 中構(gòu)建類似 DTrace 那種常駐內(nèi)核的動(dòng)態(tài)追蹤虛擬機(jī)。
Linux 沒有 DTrace(名字)，但現(xiàn)在有了 DTrace(功能)
嚴(yán)格來說，DTrace這個(gè)詞本身，已經(jīng)并不是狹義上基于Solaris的那套工具了，而是代表的是后現(xiàn)代操作系統(tǒng)的一整套工具家族和方法論。
History
當(dāng)時(shí) Solaris 操作系統(tǒng)的幾個(gè)工程師花了幾天幾夜去排查一個(gè)看似非常詭異的線上問題。 開始他們以為是很高級的問題，就特別賣力，結(jié)果折騰了幾天，***發(fā)現(xiàn)其實(shí)是一個(gè)非常愚蠢的、某個(gè)不起眼的地方的配置問題。 自從那件事情之后，這些工程師就痛定思痛，創(chuàng)造了 DTrace 這樣一個(gè)非常高級的調(diào)試工具，來幫助他們在未來的工作當(dāng)中避免把過多精力花費(fèi)在愚蠢問題上面。 畢竟大部分所謂的“詭異問題”其實(shí)都是低級問題，屬于那種“調(diào)不出來很郁悶，調(diào)出來了更郁悶”的類型。---《漫談動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)》
通觀DTrace的演變過程，幾乎相當(dāng)于一部現(xiàn)代操作系統(tǒng)系統(tǒng)的發(fā)展史，細(xì)查起來，極其復(fù)雜。 但是有兩個(gè)人非常值得關(guān)注，一個(gè)是***的布道師，一個(gè)是國內(nèi)的代表人物， 初學(xué)者完全可以通過閱讀他們的文章、代碼，甚至微博/Twitter動(dòng)態(tài)，了解動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。
Brendan Gregg
前SUN性能工程師，最早的DTrace用戶，出版了包括《性能之巔》在內(nèi)的一大批書籍，囊括了性能問題領(lǐng)域的技術(shù)、工具、方法論等方方面面。 是動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)當(dāng)之無愧的***布道師。他維護(hù)的個(gè)人博客發(fā)布了大量的原創(chuàng)內(nèi)容，并且持續(xù)保持著相當(dāng)?shù)幕钴S度?？梢宰鳛?**手的學(xué)習(xí)資料。
Twitter： 個(gè)人網(wǎng)站：
章亦春 網(wǎng)名 agentzh。開源項(xiàng)目OpenResty創(chuàng)始人，編寫了很多 Nginx 的第三方模塊， Perl 開源模塊，以及最近一些年寫的很多 Lua 方面的庫。 他發(fā)表過的《漫談動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)》，是目前唯一由Brendan認(rèn)證的中文資料，入門***。 另外，他本人也在目前的工作、開源項(xiàng)目運(yùn)營中大量使用動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)。
Linux 追蹤器選型
動(dòng)態(tài)追蹤技術(shù)最復(fù)雜的地方在于追蹤器種類繁多，讓人一時(shí)無從下手。 根據(jù)前人的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，建議按照以下路徑進(jìn)行選擇：
普通模式
適用于：開發(fā)者, 系統(tǒng)管理員, DevOps, SRE
CPU分析
perf_events的應(yīng)用很廣泛，配合Brendan Gregg老師研究的火焰圖工具，可以分析程序在所有代碼基的資源消耗，精確定位到函數(shù)級。 例如
進(jìn)程追蹤
- # ./execsnoop
- Tracing exec()s. Ctrl-C to end.
- PID PPID ARGS
- 22898 22004 man ls
- 22905 22898 preconv -e UTF-8
- 22908 22898 pager -s
- 22907 22898 nroff -mandoc -rLL=164n -rLT=164n -Tutf8
HARD模式
適用于：性能或內(nèi)核工程師
Understanding all the Linux tracers to make a rational decision between them a huge undertaking.
- ftrace 內(nèi)核hacker的***。已經(jīng)包含在內(nèi)核，能夠支持 tracepoints, kprobes, and uprobes, 并提供一些能力: 事件追蹤, 可選擇過濾器和參數(shù); 事件計(jì)數(shù)和時(shí)間采樣，內(nèi)核概覽;基于函數(shù)的路徑追蹤。
- perf_events Linux用戶的主要追蹤器之一，它的源代碼在內(nèi)核中，通常在一個(gè) linux-tools-common包。
- eBPF 基于內(nèi)核的虛擬機(jī)
- SystemTap ***有力的追蹤器。它可以做幾乎所有的事情: 分析，打點(diǎn), kprobes, uprobes (源子 SystemTap), USDT, 內(nèi)核編程等。
- LTTng 事件收集器, 優(yōu)于其它追蹤器，支持多種事件類型，包括 USDT。
- ktap 一個(gè)很有前景的追蹤器，基于lua內(nèi)核虛擬機(jī)
- dtrace4linux 個(gè)人開發(fā)者業(yè)余產(chǎn)出 (Paul Fox) ，將 Sun DTrace遷移到 Linux。
- OL DTrace Oracle Linux DTrace，將 DTrace 遷移到Oracle Linux的實(shí)現(xiàn)。
- sysdig 一種新型追蹤器， 能夠基于類似tcpdump的命令操作 syscall events, 再用lua后處理。
