kprobe原理解析(一)

kprobe是linux内核的一个重要特性,是一个轻量级的内核调试工具,同时它又是其他一些更高级的内核调试工具(比如perf和systemtap)的“基础设施”,4.0版本的内核中,强大的eBPF特性也寄生于kprobe之上,所以kprobe在内核中的地位就可见一斑了。本文想把kprobe的原理掰碎了给大家看。

怎么讲kprobe,我把整个讲述分为两部分,第一部分是kprobe怎么用,第二是kprobe的原理。本篇博客先说kprobe怎么用。

kprobe是什么?

如何高效地调试内核?printk是一种方法,但是printk终归是毫无选择地全量输出,某些场景下不实用,于是你可以试一下tracepoint,我使能tracepoint机制的时候才输出。对于傻傻地放置printk来输出信息的方式,tracepoint是个进步,但是tracepoint只是内核在某些特定行为(比如进程切换)上部署的一些静态锚点,这些锚点并不一定是你需要的,所以你仍然需要自己部署tracepoint,重新编译内核。那么kprobe的出现就很有必要了,它可以在运行的内核中动态插入探测点,执行你预定义的操作。

kprobe怎么使用?

kprobe主要有两种使用方法,一是通过模块加载;二是通过debugfs接口。

模块加载的方式:内核源码下有目录下 samples/kprobes,该目录下有许多kprobes的例子,可以仿照这些例子写自己的kprobe模块。以kprobe_example.c为例,首先声明一个kprobe结构体,然后定义其中几个关键成员变量,包括symbol_name,pre_handler,post_handler。其中,symbol_name是函数名(kprobe_example.c中该项为do_fork),告诉内核我的探测点放置在了函数do_fork处,pre_hander和post_hander分别表示在执行探测点之前和之后执行的钩子函数。然后通过register_kprobe函数注册kprobe即可。将kprobe_example.ko inmod进内核之后,每当系统新启动一个进程,比如执行ls,cat等,都会输出:

              pre_hander: p->addr = 0x***, ip = ****.

              post_handler: p->addr = 0x***, pc = ****.

第一行是执行pre_handler钩子函数的输出,第二行是执行post_handler钩子函数的输出,当然这些都是内核中案例的写法,你可以写自己的钩子函数。

通过debugfs接口注册kprobe:模块加载的终究不是很方便,尤其对于一些不带gcc的嵌入式系统,需要交叉编译ko,将ko拷贝到单板,然后insmod,不便。debugfs下(确切地说,应该是ftrace)提供了一套注册、使能、注销kprobe的接口,可以很方便地操作kprobe。

用法如下:

  1) cd /sys/kernel/debug/tracing【有些系统没有挂载debugfs,需要先挂载下 mount -t debugfs nodev /sys/kernel/debug】

  2)进入到tracing目录,这里就是传说中ftrace的天下了,执行:

   echo "p:sys_write_event sys_write" > kprobe_events    

      向kprobe_events写入"p:sys_write sys_write",注册kprobe事件。你会发现,当前目录下的events下,新增一个kprobes目录,该目录下:

           root@station:/sys/kernel/debug/tracing/events/kprobes# ls
           enable  filter  sys_write_event

   即,我们注册的kprobe事件生效了。那么"p:sys_write_event sys_write"是什么意思呢?首先p表示我们要注册一个kprobe,如果要注册retprobe,此处应为r;sys_write_event表示这个kprobe叫什么名字;sys_write表示我们的插入点在哪里。那么,“p:sys_write_event sys_write”的语义就很明显了:在函数sys_write处插入一个kprobe点,这个点的名字叫sys_write_event。

      3)使能kprobe。执行:

      cd /sys/kernel/debug/tracing/events/kprobes/events/sys_write_event

           echo 1 > enable

      cd ../../.. 【退回到/sys/kernel/debug/tracing,查看trace文件的输出】

    cat trace 

           trace文件的输出是如下的:

           .....

   bash-808   [003] d... 42715.347565: sys_write_event: (SyS_write+0x0/0xb0)

           .....

           解释下置红的这条输出:pid为808的进程bash,在自本次开机42715.345565秒的时候,调用了一次函数sys_write。

       4)撤消kprobe。执行

             cd /sys/kernel/debug/tracing/events/kprobes/events/sys_write_event

             echo 0 > enable【首先先关闭kprobe】

             cd ../../..

        echo "-:kprobes/sys_write_event" >> kprobe_events 【注销kprobe】     

以上就是kprobe的两种注册及使用方式:通过模块加载以及通过debugfs注册。这两种使用方法有什么联系?

使用模块加载的方式,是kprobe的一种原始用法:在kprobe结构体里定义插入点、钩子函数,然后通过register_kprobe注册上这个kprobe即可。ftrace接口是kprobe的一种应用,它是一套trace的框架,下面的trace机制包括tracepoint、function trace等,kprobe仅仅是这些trace机制中的一员。上面的讲述我们也已经看出来了,通过ftrace注册的kprobe的输出是在ftrace的输出:trace文件。模块加载模式中我们可以自定义kprobe的钩子函数pre_handler和post_handler,但是在ftrace下注册的kprobe的钩子是ftrace接口默认的,我们设置不了,但是具体输出什么,我们可以在echo “p:sys_write_event sys_write"时指定,比如指定x1寄存器的内容等,所以ftrace下注册的kprobe功能同样很强大。同时,由于ftrace下kprobe的输出基于ftrace的输出框架,所以输出信息包含当前进程、CPU、时间戳等信息,对于trace来说非常有用。

好了,kprobe的用法先介绍到这里了,这都是最简单的用法,高级用法可以参看内核文档:kprobes.txt 以及 kprobetrace.txt。kprobe的原理将在下面一篇博客中详细介绍。

posted @ 2015-06-14 22:59  honpey  阅读(4503)  评论(0编辑  收藏