BPF bpf_spin_lock 使用排错指南

使用BPF时，多核之间难免会有竞争，为了应对这种情况，BPF引入了BPF自旋锁（bpf_spin_lock）的概念，它允许对map元素进行操作时锁定对map元素的访问。自旋锁仅可存储于array、hash和cgroup类型的map中。

// 信号量
// /usr/include/linux
struct bpf_spin_lock {
	__u32	val;
};

// 内核
// 加锁+解锁
// tools/testing/selftests/bpf/bpf_helpers.h
static void (*bpf_spin_lock)(struct bpf_spin_lock *lock) =
	(void *) BPF_FUNC_spin_lock;
static void (*bpf_spin_unlock)(struct bpf_spin_lock *lock) =
	(void *) BPF_FUNC_spin_unlock;

这里复制下书上的事例。这个访问控制，精度比较细。对每一个元素使用了自旋锁。另外map必须用BPF类型格式(BPF Type Format,BTF)注释，这样verifier就知道如何解释这个结构。类型格式通过向二进制对象添加调试信息，使内核和其他工具对BPF数据结构有了更丰富的理解。

struct concurrent_element {
    struct bpf_spin_lock semaphore;
    int count;
}

struct bpf_map_def SEC("maps") concurrent_map = {
    .type = BPF_MAP_TYPE_HASH,
    .key_size = sizeof(int),
    .value_size = sizeof(struct concurrent_element),
    .max_entries = 100,
};

// 这个宏很重要，如果没有则在verifier时会报错
BPF_ANNOTATE_KV_PAIR(concurrent_map, int, struct concurrent_element);

int bpf_program(struct pt_regs *ctx) {
	int key = 0;
    struct concurrent_element init_value = {};
    struct concurrent_element *read_value;
    bpf_map_create_elem(&concurrent_map, &key, &init_value, BPF_NOEXIST);
    read_value = bpf_map_lookup_elem(&concurrent_map, &key);
    bpf_spin_lock(&read_value->semaphore);
    read_value->count += 100;
    bpf_spin_unlock(&read_value->semaphore);
}

BPF_ANNOTATE_KV_PAIR()宏很重要，作用是为特定maps添加类型解释，就是使用它为map进行BPF类型格式(BPF Type Format,BTF)注释的。如果不执行这个宏，就会报has to have BTF in order to use bpf spin lock的错误。

当程序或map加载之后可以通过下面命令查看其类型信息：

bpftool map dump id 386
bpftool prog show id 72
bpftool btf show
bpftool btf dump id 60 format c

重点来了

我使用的libbpf中并没有实现BPF_ANNOTATE_KV_PAIR()这个宏的定义，如果你也遇到同样的情况，可以自己手动把下面的宏定义加到代码或头文件中。

#define BPF_ANNOTATE_KV_PAIR(name, type_key, type_val)      \
        struct ____btf_map_##name {             \
                    type_key key;                   \
                    type_val value;                 \
                };                          \
        struct ____btf_map_##name               \
            __attribute__ ((section(".maps." #name), used))     \
            ____btf_map_##name = { }

重新编译加载代码后，has to have BTF in order to use bpf spin lock的错误依然存在。使用objdump -h xdp_prog.o命令，可以看到文件中并没有.BTF段。

这个问题的解决方法是在用clang编译时加上-g选项。重新编译后的结果如下图，可以看到.BTF段。

重启程序，verifier时就不再报错了。