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ftrace：跟蹤你的內(nèi)核函數(shù)！

作者：Julia Evans
系統(tǒng) Linux
ftrace 是一個(gè) Linux 內(nèi)核特性，它可以讓你去跟蹤 Linux 內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。為什么要這么做呢？好吧，假設(shè)你調(diào)試一個(gè)奇怪的問(wèn)題，而你已經(jīng)得到了你的內(nèi)核版本中這個(gè)問(wèn)題在源代碼中的開(kāi)始的位置，而你想知道這里到底發(fā)生了什么？

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大家好！今天我們將去討論一個(gè)調(diào)試工具：ftrace，之前我的博客上還沒(méi)有討論過(guò)它。還有什么能比一個(gè)新的調(diào)試工具更讓人激動(dòng)呢？

這個(gè)非常棒的 ftrace 并不是個(gè)新的工具！它大約在 Linux 的 2.6 內(nèi)核版本中就有了，時(shí)間大約是在 2008 年。這一篇是我用谷歌能找到的最早的文檔。因此，如果你是一個(gè)調(diào)試系統(tǒng)的“老手”，可能早就已經(jīng)使用它了！

我知道，ftrace 已經(jīng)存在了大約 2.5 年了（LCTT 譯注：距本文初次寫(xiě)作時(shí)），但是還沒(méi)有真正的去學(xué)習(xí)它。假設(shè)我明天要召開(kāi)一個(gè)專題研究會(huì)，那么，關(guān)于 ftrace 應(yīng)該討論些什么？因此，今天是時(shí)間去討論一下它了！

 

什么是 ftrace？

ftrace 是一個(gè) Linux 內(nèi)核特性，它可以讓你去跟蹤 Linux 內(nèi)核的函數(shù)調(diào)用。為什么要這么做呢？好吧，假設(shè)你調(diào)試一個(gè)奇怪的問(wèn)題，而你已經(jīng)得到了你的內(nèi)核版本中這個(gè)問(wèn)題在源代碼中的開(kāi)始的位置，而你想知道這里到底發(fā)生了什么？

每次在調(diào)試的時(shí)候，我并不會(huì)經(jīng)常去讀內(nèi)核源代碼，但是，極個(gè)別的情況下會(huì)去讀它！例如，本周在工作中，我有一個(gè)程序在內(nèi)核中卡死了。查看到底是調(diào)用了什么函數(shù)，能夠幫我更好的理解在內(nèi)核中發(fā)生了什么，哪些系統(tǒng)涉及其中?。ㄔ谖业哪莻€(gè)案例中，它是虛擬內(nèi)存系統(tǒng)）。

我認(rèn)為 ftrace 是一個(gè)十分好用的工具（它肯定沒(méi)有 strace 那樣使用廣泛，也比它難以使用），但是它還是值得你去學(xué)習(xí)。因此，讓我們開(kāi)始吧！

 

使用 ftrace 的***步

不像 strace 和 perf，ftrace 并不是真正的 程序 – 你不能只運(yùn)行 ftrace my_cool_function。那樣太容易了！

如果你去讀 使用 ftrace 調(diào)試內(nèi)核，它會(huì)告訴你從 cd /sys/kernel/debug/tracing 開(kāi)始，然后做很多文件系統(tǒng)的操作。

對(duì)于我來(lái)說(shuō)，這種辦法太麻煩——一個(gè)使用 ftrace 的簡(jiǎn)單例子像是這樣：

  1. cd /sys/kernel/debug/tracing
  2. echo function > current_tracer
  3. echo do_page_fault > set_ftrace_filter
  4. cat trace

這個(gè)文件系統(tǒng)是跟蹤系統(tǒng)的接口（“給這些神奇的文件賦值，然后該發(fā)生的事情就會(huì)發(fā)生”）理論上看起來(lái)似乎可用，但是它不是我的***方式。

幸運(yùn)的是，ftrace 團(tuán)隊(duì)也考慮到這個(gè)并不友好的用戶界面，因此，它有了一個(gè)更易于使用的界面，它就是 trace-cmd?。?！trace-cmd 是一個(gè)帶命令行參數(shù)的普通程序。我們后面將使用它！我在 LWN 上找到了一個(gè) trace-cmd 的使用介紹：trace-cmd: Ftrace 的一個(gè)前端。

 

開(kāi)始使用 trace-cmd：讓我們僅跟蹤一個(gè)函數(shù)

首先，我需要去使用 sudo apt-get install trace-cmd 安裝 trace-cmd，這一步很容易。

對(duì)于***個(gè) ftrace 的演示，我決定去了解我的內(nèi)核如何去處理一個(gè)頁(yè)面故障。當(dāng) Linux 分配內(nèi)存時(shí)，它經(jīng)常偷懶，（“你并不是真的計(jì)劃去使用內(nèi)存，對(duì)嗎？”）。這意味著，當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序嘗試去對(duì)分配給它的內(nèi)存進(jìn)行寫(xiě)入時(shí)，就會(huì)發(fā)生一個(gè)頁(yè)面故障，而這個(gè)時(shí)候，內(nèi)核才會(huì)真正的為應(yīng)用程序去分配物理內(nèi)存。

我們開(kāi)始使用 trace-cmd 并讓它跟蹤 do_page_fault 函數(shù)！

  1. $ sudo trace-cmd record -p function -l do_page_fault
  2.   plugin 'function'
  3. Hit Ctrl^C to stop recording

我將它運(yùn)行了幾秒鐘，然后按下了 Ctrl+C。 讓我大吃一驚的是，它竟然產(chǎn)生了一個(gè) 2.5MB 大小的名為 trace.dat 的跟蹤文件。我們來(lái)看一下這個(gè)文件的內(nèi)容！

  1. $ sudo trace-cmd report
  2.           chrome-15144 [000] 11446.466121: function:             do_page_fault
  3.           chrome-15144 [000] 11446.467910: function:             do_page_fault
  4.           chrome-15144 [000] 11446.469174: function:             do_page_fault
  5.           chrome-15144 [000] 11446.474225: function:             do_page_fault
  6.           chrome-15144 [000] 11446.474386: function:             do_page_fault
  7.           chrome-15144 [000] 11446.478768: function:             do_page_fault
  8.  CompositorTileW-15154 [001] 11446.480172: function:             do_page_fault
  9.           chrome-1830  [003] 11446.486696: function:             do_page_fault
  10.  CompositorTileW-15154 [001] 11446.488983: function:             do_page_fault
  11.  CompositorTileW-15154 [001] 11446.489034: function:             do_page_fault
  12.  CompositorTileW-15154 [001] 11446.489045: function:             do_page_fault
  13.  

看起來(lái)很整潔 – 它展示了進(jìn)程名（chrome）、進(jìn)程 ID（15144）、CPU ID（000），以及它跟蹤的函數(shù)。

通過(guò)察看整個(gè)文件，（sudo trace-cmd report | grep chrome）可以看到，我們跟蹤了大約 1.5 秒，在這 1.5 秒的時(shí)間段內(nèi)，Chrome 發(fā)生了大約 500 個(gè)頁(yè)面故障。真是太酷了！這就是我們做的***個(gè) ftrace！

 

下一個(gè) ftrace 技巧：我們來(lái)跟蹤一個(gè)進(jìn)程！

好吧，只看一個(gè)函數(shù)是有點(diǎn)無(wú)聊！假如我想知道一個(gè)程序中都發(fā)生了什么事情。我使用一個(gè)名為 Hugo 的靜態(tài)站點(diǎn)生成器?？纯磧?nèi)核為 Hugo 都做了些什么事情？

在我的電腦上 Hugo 的 PID 現(xiàn)在是 25314，因此，我使用如下的命令去記錄所有的內(nèi)核函數(shù)：

  1. sudo trace-cmd record --help # I read the help!
  2. sudo trace-cmd record -p function -P 25314 # record for PID 25314

sudo trace-cmd report 輸出了 18,000 行。如果你對(duì)這些感興趣，你可以看 這里是所有的 18,000 行的輸出。

18,000 行太多了，因此，在這里僅摘錄其中幾行。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用 clock_gettime 運(yùn)行的時(shí)候，都發(fā)生了什么：

  1.  compat_SyS_clock_gettime
  2.     SyS_clock_gettime
  3.        clockid_to_kclock
  4.        posix_clock_realtime_get
  5.           getnstimeofday64
  6.              __getnstimeofday64
  7.                 arch_counter_read
  8.     __compat_put_timespec

這是與進(jìn)程調(diào)試相關(guān)的一些東西：

  1.  cpufreq_sched_irq_work
  2.     wake_up_process
  3.        try_to_wake_up
  4.           _raw_spin_lock_irqsave
  5.              do_raw_spin_lock
  6.           _raw_spin_lock
  7.              do_raw_spin_lock
  8.           walt_ktime_clock
  9.              ktime_get
  10.                 arch_counter_read
  11.           walt_update_task_ravg
  12.              exiting_task
  13.  

雖然你可能還不理解它們是做什么的，但是，能夠看到所有的這些函數(shù)調(diào)用也是件很酷的事情。

“function graph” 跟蹤

這里有另外一個(gè)模式，稱為 function_graph。除了它既可以進(jìn)入也可以退出一個(gè)函數(shù)外，其它的功能和函數(shù)跟蹤器是一樣的。這里是那個(gè)跟蹤器的輸出

  1. sudo trace-cmd record -p function_graph -P 25314

同樣，這里只是一個(gè)片斷（這次來(lái)自 futex 代碼）：

  1.              |      futex_wake() {
  2.              |        get_futex_key() {
  3.              |          get_user_pages_fast() {
  4.   1.458 us   |            __get_user_pages_fast();
  5.   4.375 us   |          }
  6.              |          __might_sleep() {
  7.   0.292 us   |            ___might_sleep();
  8.   2.333 us   |          }
  9.   0.584 us   |          get_futex_key_refs();
  10.              |          unlock_page() {
  11.   0.291 us   |            page_waitqueue();
  12.   0.583 us   |            __wake_up_bit();
  13.   5.250 us   |          }
  14.   0.583 us   |          put_page();
  15. + 24.208 us  |        }

我們看到在這個(gè)示例中，在 futex_wake 后面調(diào)用了 get_futex_key。這是在源代碼中真實(shí)發(fā)生的事情嗎？我們可以檢查一下??！這里是在 Linux 4.4 中 futex_wake 的定義 (我的內(nèi)核版本是 4.4）。

為節(jié)省時(shí)間我直接貼出來(lái)，它的內(nèi)容如下：

  1. static int
  2. futex_wake(u32 __user *uaddr, unsigned int flags, int nr_wake, u32 bitset)
  3. {
  4.     struct futex_hash_bucket *hb;
  5.     struct futex_q *this, *next;
  6.     union futex_key key = FUTEX_KEY_INIT;
  7.     int ret;
  8.     WAKE_Q(wake_q);
  9.  
  10.     if (!bitset)
  11.         return -EINVAL;
  12.  
  13.     ret = get_futex_key(uaddr, flags & FLAGS_SHARED, &key, VERIFY_READ);

如你所見(jiàn)，在 futex_wake 中的***個(gè)函數(shù)調(diào)用真的是 get_futex_key！ 太棒了！相比閱讀內(nèi)核代碼，閱讀函數(shù)跟蹤肯定是更容易的找到結(jié)果的辦法，并且讓人高興的是，還能看到所有的函數(shù)用了多長(zhǎng)時(shí)間。

 

如何知道哪些函數(shù)可以被跟蹤

如果你去運(yùn)行 sudo trace-cmd list -f，你將得到一個(gè)你可以跟蹤的函數(shù)的列表。它很簡(jiǎn)單但是也很重要。

 

***一件事：事件！

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了怎么去跟蹤內(nèi)核中的函數(shù)，真是太酷了！

還有一類我們可以跟蹤的東西！有些事件與我們的函數(shù)調(diào)用并不相符。例如，你可能想知道當(dāng)一個(gè)程序被調(diào)度進(jìn)入或者離開(kāi) CPU 時(shí)，都發(fā)生了什么事件！你可能想通過(guò)“盯著”函數(shù)調(diào)用計(jì)算出來(lái)，但是，我告訴你，不可行！

由于函數(shù)也為你提供了幾種事件，因此，你可以看到當(dāng)重要的事件發(fā)生時(shí)，都發(fā)生了什么事情。你可以使用 sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/available_events 來(lái)查看這些事件的一個(gè)列表。 

我查看了全部的 schedswitch 事件。我并不完全知道 schedswitch 是什么，但是，我猜測(cè)它與調(diào)度有關(guān)。

  1. sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/available_events
  2. sudo trace-cmd record -e sched:sched_switch
  3. sudo trace-cmd report

輸出如下：

  1.  16169.624862:   Chrome_ChildIOT:24817 [112] S ==> chrome:15144 [120]
  2.  16169.624992:   chrome:15144 [120] S ==> swapper/3:0 [120]
  3.  16169.625202:   swapper/3:0 [120] R ==> Chrome_ChildIOT:24817 [112]
  4.  16169.625251:   Chrome_ChildIOT:24817 [112] R ==> chrome:1561 [112]
  5.  16169.625437:   chrome:1561 [112] S ==> chrome:15144 [120]
  6.  

現(xiàn)在，可以很清楚地看到這些切換，從 PID 24817 -> 15144 -> kernel -> 24817 -> 1561 -> 15114。(所有的這些事件都發(fā)生在同一個(gè) CPU 上）。

 

ftrace 是如何工作的？

ftrace 是一個(gè)動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)我們開(kāi)始 ftrace 內(nèi)核函數(shù)時(shí)，函數(shù)的代碼會(huì)被改變。讓我們假設(shè)去跟蹤 do_page_fault 函數(shù)。內(nèi)核將在那個(gè)函數(shù)的匯編代碼中插入一些額外的指令，以便每次該函數(shù)被調(diào)用時(shí)去提示跟蹤系統(tǒng)。內(nèi)核之所以能夠添加額外的指令的原因是，Linux 將額外的幾個(gè) NOP 指令編譯進(jìn)每個(gè)函數(shù)中，因此，當(dāng)需要的時(shí)候，這里有添加跟蹤代碼的地方。

這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)椋?dāng)不需要使用 ftrace 去跟蹤我的內(nèi)核時(shí)，它根本就不影響性能。而當(dāng)我需要跟蹤時(shí)，跟蹤的函數(shù)越多，產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)就越大。

（或許有些是不對(duì)的，但是，我認(rèn)為的 ftrace 就是這樣工作的）

 

更容易地使用 ftrace：brendan gregg 的工具及 kernelshark

正如我們?cè)谖募兴懻摰?，你需要去考慮很多的關(guān)于單個(gè)的內(nèi)核函數(shù)/事件直接使用 ftrace 都做了些什么。能夠做到這一點(diǎn)很酷！但是也需要做大量的工作！

Brendan Gregg （我們的 Linux 調(diào)試工具“大神”）有個(gè)工具倉(cāng)庫(kù)，它使用 ftrace 去提供關(guān)于像 I/O 延遲這樣的各種事情的信息。這是它在 GitHub 上全部的 perf-tools 倉(cāng)庫(kù)。

這里有一個(gè)權(quán)衡，那就是這些工具易于使用，但是你被限制僅能用于 Brendan Gregg 認(rèn)可并做到工具里面的方面。它包括了很多方面！:)

另一個(gè)工具是將 ftrace 的輸出可視化，做的比較好的是 kernelshark。我還沒(méi)有用過(guò)它，但是看起來(lái)似乎很有用。你可以使用 sudo apt-get install kernelshark 來(lái)安裝它。

 

一個(gè)新的超能力

我很高興能夠花一些時(shí)間去學(xué)習(xí) ftrace！對(duì)于任何內(nèi)核工具，不同的內(nèi)核版本有不同的功效，我希望有一天你能發(fā)現(xiàn)它很有用！

 

ftrace 系列文章的一個(gè)索引

***，這里是我找到的一些 ftrace 方面的文章。它們大部分在 LWN （Linux 新聞周刊）上，它是 Linux 的一個(gè)極好的資源（你可以購(gòu)買(mǎi)一個(gè) 訂閱?。?/p>

責(zé)任編輯：龐桂玉 來(lái)源： Linux中國(guó)
Linuxftrace內(nèi)核函數(shù)
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