Linux 自检和 SystemTap (强大的内核调试工具)

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-systemtap/index.html

SystemTap 是监控和跟踪运行中的 Linux 内核的操作的动态方法。这句话的关键词是动态,因为 SystemTap 没有使用工具构建一个特殊的内核,而是允许您在运行时动态地安装该工具。它通过一个名为Kprobes 的应用编程接口(API)来实现该目的,本文将探索这个 API。我们首先了解以前的一些内核跟踪方法,然后在深入探讨 SystemTap 的架构及其使用。

内核跟踪

SystemTap 与一种名为 DTrace 的老技术相似,该技术源于 Sun Solaris 操作系统。在 DTrace 中,开发人员可以用 D 编程语言(C 语言的子集,但修改为支持跟踪行为)编写脚本。DTrace 脚本包含许多探针和相关联的操作,这些操作在探针 “触发” 时发生。例如,探针可以表示简单的系统调用,也可以表示更加复杂的交互,比如执行特定的代码行。清单 1 显示了 DTrace 脚本的一个简单例子,它计算每个进程发出的系统调用的数量(注意,使用字典将计数和进程关联起来)。该脚本的格式包含探针(在发出系统调用时触发)和操作(对应的操作脚本)。

清单 1. 计算每个进程的系统调用的简单 DTrace 脚本

				

syscall:::entry 

{ 



  @num[pid,execname] = count(); 



}

DTrace 是 Solaris 最引人注目的部分,所以在其他操作系统中开发它并不奇怪。DTrace 是在 Common Development and Distribution License (CDDL) 之下发行的,并且被移植到 FreeBSD 操作系统中。

另一个非常有用的内核跟踪工具是 ProbeVue,它是 IBM 为 IBM® AIX® 操作系统 6.1 开发的。您可以使用 ProbeVue 探查系统的行为和性能,以及提供特定进程的详细信息。这个工具使用一个标准的内核以动态的方式进行跟踪。清单 2 显示了 ProbeVue 脚本的一个例子,它指出发出 sync 系统调用的特定进程。

清单 2. 指出哪个进程调用 sync 的简单 ProbeVue 脚本

				

@@syscall:*:sync:entry

{

  printf( "sync() syscall invoked by process ID %d\n", __pid );

  exit();

}

考虑到 DTrace 和 ProbeVue 在各自的操作系统中的巨大作用,为 Linux 操作系统策划一个实现该功能的开源项目是势不可挡的。SystemTap 从 2005 年开始开发,它提供与 DTrace 和 ProbeVue 类似的功能。许多社区还进一步完善了它,包括 Red Hat、Intel、Hitachi 和 IBM 等。

这些解决方案在功能上都是类似的,在触发探针时使用探针和相关联的操作脚本。现在,我们看一下 SystemTap 的安装,然后探索它的架构和使用。


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安装 SystemTap

您可能仅需一个 SystemTap 安装就可以支持 SystemTap,具体情况取决于您的分发版和内核。对于其他情况,需要使用一个调试内核映像。这个小节介绍在 Ubuntu version 8.10 (Intrepid Ibex) 上安装 SystemTap 的步骤,但这并不是一个具有代表性的 SystemTap 安装。在 参考资料 部分中,您可以找到在其他分发版和版本上安装 SystemTap 的更多信息。

对大部分用户而言,安装 SystemTap 都非常简单。对于 Ubuntu,使用 apt-get

$ sudo apt-get install systemtap

			

在安装完成之后,您可以测试内核看它是否支持 SystemTap。为此,使用以下简单的命令行脚本:

$ sudo stap -ve 'probe begin { log("hello world") exit() }'

			

如果该脚本能够正常运行,您将在标准输出 [stdout] 中看到 “hello world”。如果没有看到这两个单词,则还需要其他工作。对于 Ubuntu 8.10,需要使用一个调试内核映像。应该使用 apt-get 获取包 linux-image-debug-generic 就可以获得它的。但这里不能直接使用 apt-get,因此您可以下载该包并使用 dpkg 安装它。您可以下载通用的调用映像包并按照以下的方式安装它:

$ wget http://ddebs.ubuntu.com/pool/main/l/linux/

          linux-image-debug-2.6.27-14-generic_2.6.27-14.39_i386.ddeb

$ sudo dpkg -i linux-image-debug-2.6.27-14-generic_2.6.27-14.39_i386.ddeb

			

现在,已经安装了通用的调试映像。对于 Ubuntu 8.10,还需要一个步骤:SystemTap 分发版有一个问题,但可以通过修改 SystemTap 源代码轻松解决。查看 参考资料 获得如何更新运行时 time.c 文件的信息。

如果您使用定制的内核,则需要确保启用内核选项 CONFIG_RELAYCONFIG_DEBUG_FSCONFIG_DEBUG_INFOCONFIG_KPROBES


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SystemTap 的架构

让我们深入探索 SystemTap 的某些细节,理解它如何在运行的内核中提供动态探针。您还将看到 SystemTap 是如何工作的,从构建进程脚本到在运行的内核中激活脚本。

动态地检查内核

SystemTap 用于检查运行的内核的两种方法是 Kprobes返回探针。但是理解任何内核的最关键要素是内核的映射,它提供符号信息(比如函数、变量以及它们的地址)。有了内核映射之后,就可以解决任何符号的地址,以及更改探针的行为。

Kprobes 从 2.6.9 版本开始就添加到主流的 Linux 内核中,并且为探测内核提供一般性服务。它提供一些不同的服务,但最重要的两种服务是 Kprobe 和 Kretprobe。Kprobe 特定于架构,它在需要检查的指令的第一个字节中插入一个断点指令。当调用该指令时,将执行针对探针的特定处理函数。执行完成之后,接着执行原始的指令(从断点开始)。

Kretprobes 有所不同,它操作调用函数的返回结果。注意,因为一个函数可能有多个返回点,所以听起来事情有些复杂。不过,它实际使用一种称为 trampoline 的简单技术。您将向函数条目添加一小段代码,而不是检查函数中的每个返回点。这段代码使用 trampoline 地址替换堆栈上的返回地址 —— Kretprobe 地址。当该函数存在时,它没有返回到调用方,而是调用 Kretprobe(执行它的功能),然后从 Kretprobe 返回到实际的调用方。

SystemTap 的流程

图 1 展示了 SystemTap 的基本流程,涉及到 3 个交互实用程序和 5 个阶段。该流程首先从 SystemTap 脚本开始。您使用 stap 实用程序将 stap 脚本转换成提供探针行为的内核模块。stap 流程从将脚本转换成解析树开始 (pass 1)。然后使用细化(elaboration)步骤 (pass 2) 中关于当前运行的内核的符号信息解析符号。接下来,转换流程将解析树转换成 C 源代码 (pass 3) 并使用解析后的信息和 tapset 脚本(SystemTap 定义的库,包含有用的功能)。stap 的最后步骤是构造使用本地内核模块构建进程的内核模块 (pass 4)。

图 1. SystemTap 流程

有了可用的内核模块之后,stap 完成了自己的任务,并将控制权交给其他两个实用程序 SystemTap:staprunstapio。这两个实用程序协调工作,负责将模块安装到内核中并将输出发送到 stdout (pass 5)。如果在 shell 中按组合键 Ctrl-C 或脚本退出,将执行清除进程,这将导致卸载模块并退出所有相关的实用程序。

SystemTap 的一个有趣特性是缓存脚本转换的能力。如果安装后的脚本没有更改,您可以使用现有的模块,而不是重新构建模块。图 2 显示了 user-space 和 kernel-space 元素以及基于 stap 的转换流程。

图 2. 从 kernel/user-space 角度了解 SystemTap 流程


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SystemTap 脚本编写

在 SystemTap 中编写脚本非常简单,但也很灵活,有许多您需要使用的选项。参考资料 提供一个详述语言和可行性的手册的链接,但这个小节仅讨论一些例子,让您初步了解 SystemTap 脚本。

探针

SystemTap 脚本由探针和在触发探针时需要执行的代码块组成。探针有许多预定义模式,表 1 列出了其中的一部分。这个表列举了几种探针类型,包括调用内核函数和从内核函数返回。

表 1. 探针模式例子

探针类型
说明

begin
在脚本开始时触发

end
在脚本结束时触发

kernel.function("sys_sync")
调用 sys_sync 时触发

kernel.function("sys_sync").call
同上

kernel.function("sys_sync").return
返回 sys_sync 时触发

kernel.syscall.*
进行任何系统调用时触发

kernel.function("*@kernel/fork.c:934")
到达 fork.c 的第 934 行时触发

module("ext3").function("ext3_file_write")
调用 ext3 write 函数时触发

timer.jiffies(1000)
每隔 1000 个内核 jiffy 触发一次

timer.ms(200).randomize(50)
每隔 200 毫秒触发一次,带有线性分布的随机附加时间(-50 到 +50)

我们通过一个简单的例子来理解如何构造探针,并将代码与该探针相关联。清单 3 显示了一个样例探针,它在调用内核系统调用 sys_sync 时触发。当该探针触发时,您希望计算调用的次数,并发送这个计数以及表示调用进程 ID(PID)的信息。首先,声明一个任何探针都可以使用的全局值(全局名称空间对所有探针都是通用的),然后将它初始化为 0。其次,定义您的探针,它是一个探测内核函数 sys_sync 的条目。与探针相关联的脚本将递增 count 变量,然后发出一条消息,该消息定义调用的次数和当前调用的 PID。注意,这个例子与 C 语言中的探针非常相似(探针定义语法除外),如果具有 C 语言背景将非常有帮助。

清单 3. 一个简单的探针和脚本

				

global count=0



probe kernel.function("sys_sync") {

  count++

  printf( "sys_sync called %d times, currently by pid %d\n", count, pid );

}

您还可以声明探针可以调用的函数,尤其是希望供多个探针调用的通用函数。这个工具还支持递归到给定深度。

变量和类型

SystemTap 允许定义多种类型的变量,但类型是从上下文推断得出的,因此不需要使用类型声明。在 SystemTap 中,您可以找到数字(64 位签名的整数)、整数(64 位)、字符串和字面量(字符串或整数)。您还可以使用关联数组和统计数据(我们稍后讨论)。

表达式

SystemTap 提供 C 语言中常用的所有必要操作符,并且用法也是一样的。您还可以找到算术操作符、二进制操作符、赋值操作符和指针废弃。您还看到从 C 语言带来的简化,其中包括字符串连接、关联数组元素和合并操作符。

语言元素

在探针内部,SystemTap 提供一组类似于 C 一样易于使用的语句。注意,尽管该语言允许您开发复杂的脚本,但每个探针只能执行 1000 条语句(这个数量是可配置的)。表 2 列出了一小部分语句作为例子。注意,在这里的许多元素和 C 中的一样,尽管有一些附加的东西是特定于 SystemTap 的。

表 2. SystemTap 的语言元素

语句
说明

if (exp) {} else {}
标准的 if-then-else 语句

for (exp1 ; exp2 ; exp3 ) {}
一个 for 循环

while (exp) {}
标准的 while 循环

do {} while (exp)
一个 do-while 循环

break
退出迭代

continue
继续迭代

next
从探针返回

return
从函数返回一个表达式

foreach (VAR in ARRAY) {}
迭代一个数组,将当前的键分配给 VAR

本文在样例脚本中探索了统计数据和聚合功能,因为这是 C 语言中不存在的。

最后,SystemTap 提供许多内部函数,这些函数提供关于当前上下文的额外信息。例如,您可以使用 caller() 识别当前的调用函数,使用 cpu() 识别当前的处理器号码,以及使用 pid() 返回 PID。SystemTap 还提供许多其他函数,提供对调用堆栈和当前注册表的访问。


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SystemTap 例子

在简单介绍了 SystemTap 的要点之后,我们接下来通过一些简单的例子来了解 SystemTap 的工作原理。本文还展示了该脚本语言的一些有趣方面,比如聚合。

系统调用监控

前一个小节探索了一个监控 sync 系统调用的简单脚本。现在,我们查看一个更加具有代表性的脚本,它可以监控所有系统调用并收集与它们相关的额外信息。

清单 4 显示的简单脚本包含一个全局变量定义和 3 个独立的探针。在首次加载脚本时调用第一个探针(begin 探针)。在这个探针中,您可以发出一条表示脚本在内核中运行的文本消息。接下来是一个 syscall 探针。注意这里使用的通配符 (*),它告诉 SystemTap 监控所有匹配的系统调用。当该探针触发时,将为特定的 PID 和进程名增加一个关联数组元素。最后一个探针是 timer 探针。这个探针在 10,000 毫秒(10 秒)之后触发。与这个探针相关联的脚本将发送收集到的数据(遍历每个关联数组成员)。当遍历了所有成员之后,将调用 exit 调用,这导致卸载模块和退出所有相关的 SystemTap 进程。

清单 4. 监控所有系统调用 (profile.stp)

				

global syscalllist



probe begin {

  printf("System Call Monitoring Started (10 seconds)...\n")

}



probe syscall.*

{

  syscalllist[pid(), execname()]++

}



probe timer.ms(10000) {

  foreach ( [pid, procname] in syscalllist ) {

    printf("%s[%d] = %d\n", procname, pid, syscalllist[pid, procname] )

  }

  exit()

}

清单 4 中的脚本的输出如清单 5 所示。从这个脚本中您可以看到运行在用户空间中的每个进程,以及在 10 秒钟内发出的系统调用的数量。

清单 5. profile.stp 脚本的输出

				

$ sudo stap profile.stp

System Call Monitoring Started (10 seconds)...

stapio[16208] = 104

gnome-terminal[6416] = 196

Xorg[5525] = 90

vmware-guestd[5307] = 764

hald-addon-stor[4969] = 30

hald-addon-stor[4988] = 15

update-notifier[6204] = 10

munin-node[5925] = 5

gnome-panel[6190] = 33

ntpd[5830] = 20

pulseaudio[6152] = 25

miniserv.pl[5859] = 10

syslogd[4513] = 5

gnome-power-man[6215] = 4

gconfd-2[6157] = 5

hald[4877] = 3

$ 

特定的进程的系统调用监控

在这个例子中,您稍微修改了上一个脚本,让它收集一个进程的系统调用数据。此外,除了仅捕捉计数之外,还捕捉针对目标进程的特定系统调用。清单 6 显示了该脚本。

这个例子根据特定的进程进行了测试(在本例中为 syslog 守护进程),然后更改关联数组以将系统调用名映射到计数数据。

清单 6. 新系统调用监控脚本 (syslog_profile.stp)

				

global syscalllist



probe begin {

  printf("Syslog Monitoring Started (10 seconds)...\n")

}



probe syscall.*

{

  if (execname() == "syslogd") {

    syscalllist[name]++

  }

}



probe timer.ms(10000) {

  foreach ( name in syscalllist ) {

    printf("%s = %d\n", name, syscalllist[name] )

  }

  exit()

}

清单 7 提供了该脚本的输出。

清单 7. 新脚本的 SystemTap 输出 (syslog_profile.stp)

				

$ sudo stap syslog_profile.stp

Syslog Monitoring Started (10 seconds)...

writev = 3

rt_sigprocmask = 1

select = 1

$ 

使用聚合步骤数字数据

聚合实例时捕捉数字值的统计数据的出色方法。当您捕捉大量数据时,这个方法非常高效有用。在这个例子中,您收集关于网络包接收和发送的数据。清单 8 定义两个新的探针来捕捉网络 I/O。每个探针捕捉特定网络设备名、PID 和进程名的包长度。在用户按 Ctrl-C 调用的 end 探针提供发送捕获的数据的方式。在本例中,您将遍历 recv 聚合的内容、为每个元组(设备名、PID 和进程名)相加包的长度,然后发出该数据。注意,这里使用提取器来相加元组:@count 提取器获取捕获到的长度(包计数)。您还可以使用 @sum 提取器来执行相加操作,分别使用 @min@max 来收集最短或最长的程度,以及使用 @avg 来计算平均值。

清单 8. 收集网络包长度数据 (net.stp)

				

global recv, xmit



probe begin {

  printf("Starting network capture (Ctl-C to end)\n")

}



probe netdev.receive {

  recv[dev_name, pid(), execname()] <<< length

}



probe netdev.transmit {

  xmit[dev_name, pid(), execname()] <<< length

}



probe end {

  printf("\nEnd Capture\n\n")



  printf("Iface Process........ PID.. RcvPktCnt XmtPktCnt\n")



  foreach ([dev, pid, name] in recv) {

    recvcount = @count(recv[dev, pid, name])

    xmitcount = @count(xmit[dev, pid, name])

    printf( "%5s %-15s %-5d %9d %9d\n", dev, name, pid, recvcount, xmitcount )

  }



  delete recv

  delete xmit

}

清单 9 提供了清单 8 中的脚本的输出。注意,当用户按 Ctrl-C 时退出脚本,然后发送捕获的数据。

清单 9. net.stp 的输出

				

$ sudo stap net.stp

Starting network capture (Ctl-C to end)

^C

End Capture



Iface Process........ PID.. RcvPktCnt XmtPktCnt

 eth0 swapper         0           122        85

 eth0 metacity        6171          4         2

 eth0 gconfd-2        6157          5         1

 eth0 firefox         21424        48        98

 eth0 Xorg            5525         36        21

 eth0 bash            22860         1         0

 eth0 vmware-guestd   5307          1         1

 eth0 gnome-screensav 6244          6         3

Pass 5: run completed in 0usr/50sys/37694real ms.

$ 

捕获柱状图数据

最后一个例子展示 SystemTap 用其他形式呈现数据有多么简单 —— 在本例中以柱状图的形式显示数据。返回到是一个例子中,将数据捕获到一个名为 histogram 的聚合中(见清单 10)。然后,使用 netdev 接收和发送探针以捕捉包长度数据。当探针结束时,您将使用 @hist_log 提取器以柱状图的形式呈现数据。

清单 10. 步骤和呈现柱状图数据 (nethist.stp)

				

global histogram



probe begin {

  printf("Capturing...\n")

}



probe netdev.receive {

  histogram <<< length

}



probe netdev.transmit {

  histogram <<< length

}



probe end {

  printf( "\n" )

  print( @hist_log(histogram) )

}

清单 11 显示了清单 10 的脚本的输出。在这个例子中,使用了一个浏览器会话、一个 FTP 会话和 ping 来生成网络流量。@hist_log 提取器是一个以 2 为底数的对数柱状图(如下所示)。还可以步骤其他柱状图,从而使您能够定义 bucket 的大小。

清单 11. nethist.stp 的柱状图输出

				

$ sudo stap nethist.stp 

Capturing...

^C

value |-------------------------------------------------- count

    8 |                                                      0

   16 |                                                      0

   32 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@            1601

   64 |@                                                    52

  128 |@                                                    46

  256 |@@@@                                                164

  512 |@@@                                                 140

 1024 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@  2033

 2048 |                                                      0

 4096 |                                                      0



$ 


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结束语

本文仅探索了 SystemTap 的最简单的功能。在 参考资料 部分中,您可以找到许多教程、例子和语言参考的链接,这些资源提供了解 SystemTap 所需的所有详细信息。SystemTap 使用几个现有的方法并借鉴了以前的内核跟踪实现。尽管该工具还在紧张开发当中,但它现在已经可以使用。请期待未来出现的新特性。

参考资料

学习

获得产品和技术

讨论

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