虽然之前一直听说过 ftrace，但从来没将它用在实战中，在一次客户排查问题中，遇到了比较奇怪的现象，一位精通内核的朋友建议使用 ftrace 来定位一下。虽然那一次并没有使用 ftrace，但也让我觉得，后面我们势必要提供 ftrace 相关的工具帮助我们在线上定位问题，所以自己也决定重新学习使用下 ftrace，当然也决定写一系列的相关出来，这里就先简单介绍下 ftrace。
什么是 ftrace
首先我们需要知道，什么是 ftrace？根据 Linux Doc 的介绍，ftrace 是一个 Linux 内部的 trace 工具，能够帮助开发者和系统设计者知道内核当前正在干啥，从而更好的去分析性能问题。
Ftrace 能帮我们分析内核特定的事件，譬如调度，中断等，也能帮我们去追踪动态的内核函数，以及这些函数的调用栈还有栈的使用这些。它也能帮我们去追踪延迟，譬如中断被屏蔽，抢占被禁止的时间，以及唤醒一个进程之后多久开始执行的时间。
可以看到，使用 ftrace 真的能做到对系统内核非常系统的剖析，甚至都能通过 ftrace 来学习 Linux 内核，不过在更进一步之前，我们需要学会的是 - 如何使用 ftrace。
如何使用
要使用 ftrace，首先就是需要将系统的 debugfs 或者 tracefs 给挂载到某个地方，幸运的是，几乎所有的 Linux 发行版，都开启了 debugfs/tracefs 的支持，所以我们也没必要去重新编译内核了。
在比较老的内核版本，譬如 CentOS 7 的上面，debugfs 通常被挂载到 /sys/kernel/debug 上面（debug 目录下面有一个 tracing 目录），而比较新的内核，则是将 tracefs 挂载到 /sys/kernel/tracing，无论是什么，我都喜欢将 tracing 目录直接 link 到 /tracing。后面都会假设直接进入了 /tracing 目录，后面，我会使用 Ubuntu 16.04 来举例子，内核版本是 4.13 来举例子。
我们使用 ls 来看看目录下面到底有什么：
README current_tracer hwlat_detector per_cpu set_event_pid snapshot trace_marker tracing_max_latency
available_events dyn_ftrace_total_info instances printk_formats set_ftrace_filter stack_max_size trace_marker_raw tracing_on
available_filter_functions enabled_functions kprobe_events saved_cmdlines set_ftrace_notrace stack_trace trace_options tracing_thresh
available_tracers events kprobe_profile saved_cmdlines_size set_ftrace_pid stack_trace_filter trace_pipe uprobe_events
buffer_size_kb free_buffer max_graph_depth saved_tgids set_graph_function trace trace_stat uprobe_profile
buffer_total_size_kb function_profile_enabled options set_event set_graph_notrace trace_clock tracing_cpumask
可以看到，里面有非常多的文件和目录，具体的含义，大家可以去详细的看官方文档的解释，后面只会重点介绍一些文件。
Function
我们可以通过 available_tracers 这个文件知道当前 ftrace 支持哪些插件。
cat available_tracers
hwlat blk mmiotrace function_graph wakeup_dl wakeup_rt wakeup function nop
通常用的最多的就是 function 和 function_graph，当然，如果我们不想 trace 了，可以使用 nop。我们首先打开 function：
echo function > current_tracer
cat current_tracer
function
上面我们将 function 写入到了 current_tracer 来开启 function 的 trace，我通常会在 cat 下 current_tracer 这个文件，主要是防止自己写错了。
然后 ftrace 就开始工作了，会将相关的 trace 信息放到 trace 文件里面，我们直接读取这个文件就能获取相关的信息。
cat trace | head -n 15
# tracer: function
#
# _-----=> irqs-off
# / _----=> need-resched
# | / _---=> hardirq/softirq
# || / _--=> preempt-depth
# ||| / delay
# TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |||| | |
bash-29409 [002] .... 16158426.215771: mutex_unlock <-tracing_set_tracer
-0 [039] d... 16158426.215771: call_cpuidle <-do_idle
-0 [039] d... 16158426.215772: cpuidle_enter <-call_cpuidle
-0 [039] d... 16158426.215773: cpuidle_enter_state <-cpuidle_enter
bash-29409 [002] .... 16158426.215773: __fsnotify_parent <-vfs_write
-0 [039] d... 16158426.215773: sched_idle_set_state <-cpuidle_enter_state
我们可以设置只跟踪特定的 function
echo schedule > set_ftrace_filter
cat set_ftrace_filter
schedule
cat trace | head -n 15
# tracer: function
#
# _-----=> irqs-off
# / _----=> need-resched
# | / _---=> hardirq/softirq
# || / _--=> preempt-depth
# ||| / delay
# TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |||| | |
bash-29409 [010] .... 16158462.591708: schedule <-schedule_timeout
kworker/u81:2-29339 [008] .... 16158462.591736: schedule <-worker_thread
sshd-29395 [012] .... 16158462.591788: schedule <-schedule_hrtimeout_range_clock
rcu_sched-9 [010] .... 16158462.595475: schedule <-schedule_timeout
java-23597 [006] .... 16158462.600326: schedule <-futex_wait_queue_me
java-23624 [020] .... 16158462.600855: schedule <-schedule_hrtimeout_range_clock
当然，如果我们不想 trace schedule 这个函数，也可以这样做：
echo '!schedule' > set_ftrace_filter
或者也可以这样做：
echo schedule > set_ftrace_notrace
Function filter 的设置也支持 *match，match* ，*match* 这样的正则表达式，譬如我们可以 echo '*lock*' < set_ftrace_notrace 来禁止跟踪带 lock 的函数，set_ftrace_notrace 文件里面这时候就会显示：
cat set_ftrace_notrace
xen_pte_unlock
read_hv_clock_msr
read_hv_clock_tsc
update_persistent_clock
read_persistent_clock
set_task_blockstep
user_enable_block_step
...
Function Graph
相比于 function，function_graph 能让我们更加详细的去知道内核函数的上下文，我们打开 function_graph：
echo function_graph > current_tracer
cat trace | head -15
# tracer: function_graph
#
# CPU DURATION FUNCTION CALLS
# | | | | | | |
10) 0.085 us | sched_idle_set_state();
10) | cpuidle_reflect() {
10) 0.035 us | menu_reflect();
10) 0.288 us | }
10) | rcu_idle_exit() {
10) 0.034 us | rcu_dynticks_eqs_exit();
10) 0.296 us | }
10) 0.032 us | arch_cpu_idle_exit();
10) | tick_nohz_idle_exit() {
10) 0.073 us | ktime_get();
10) | update_ts_time_stats() {
我们也可以只跟踪某一个函数的堆栈
echo kfree > set_graph_function
cat trace | head -n 15
# tracer: function_graph
#
# CPU DURATION FUNCTION CALLS
# | | | | | | |
16) | kfree() {
16) 0.147 us | __slab_free();
16) 1.437 us | }
10) 0.162 us | kfree();
17) @ 923817.3 us | } /* intel_idle */
17) 0.044 us | sched_idle_set_state();
17) ==========> |
17) | smp_apic_timer_interrupt() {
17) | irq_enter() {
17) | rcu_irq_enter() {
17) 0.049 us | rcu_dynticks_eqs_exit();
Event
上面提到了 function 的 trace，在 ftrace 里面，另外用的多的就是 event 的 trace，我们可以在 events 目录下面看支持那些事件：
ls events/
alarmtimer cma ext4 fs_dax i2c kvm mmc nmi printk regulator smbus task vmscan xdp
block compaction fib ftrace iommu kvmmmu module oom random rpm sock thermal vsyscall xen
bpf cpuhp fib6 gpio irq libata mpx page_isolation ras sched spi thermal_power_allocator wbt xhci-hcd
btrfs dma_fence filelock header_event irq_vectors mce msr pagemap raw_syscalls scsi swiotlb timer workqueue
cgroup enable filemap header_page jbd2 mdio napi percpu rcu signal sync_trace tlb writeback
clk exceptions fs huge_memory kmem migrate net power regmap skb syscalls udp x86_fpu
上面列出来的都是分组的，我们可以继续深入下去，譬如下面是查看 sched 相关的事件：
ls events/sched/
enable sched_migrate_task sched_process_exit sched_process_wait sched_stat_sleep sched_switch sched_wakeup_new
filter sched_move_numa sched_process_fork sched_stat_blocked sched_stat_wait sched_wait_task sched_waking
sched_kthread_stop sched_pi_setprio sched_process_free sched_stat_iowait sched_stick_numa sched_wake_idle_without_ipi
sched_kthread_stop_ret sched_process_exec sched_process_hang sched_stat_runtime sched_swap_numa sched_wakeup
对于某一个具体的事件，我们也可以查看：
ls events/sched/sched_wakeup
enable filter format hist id trigger
不知道大家注意到了没有，上述目录里面，都有一个 enable 的文件，我们只需要往里面写入 1，就可以开始 trace 这个事件。譬如下面就开始 trace sched_wakeup 这个事件：
echo 1 > events/sched/sched_wakeup/enable
cat trace | head -15
# tracer: nop
#
# _-----=> irqs-off
# / _----=> need-resched
# | / _---=> hardirq/softirq
# || / _--=> preempt-depth
# ||| / delay
# TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |||| | |
bash-29409 [012] d... 16158657.832294: sched_wakeup: comm=kworker/u81:1 pid=29359 prio=120 target_cpu=008
kworker/u81:1-29359 [008] d... 16158657.832321: sched_wakeup: comm=sshd pid=29395 prio=120 target_cpu=010
-0 [012] dNs. 16158657.835922: sched_wakeup: comm=rcu_sched pid=9 prio=120 target_cpu=012
-0 [024] dNh. 16158657.836908: sched_wakeup: comm=java pid=23632 prio=120 target_cpu=024
-0 [022] dNh. 16158657.839921: sched_wakeup: comm=java pid=23624 prio=120 target_cpu=022
-0 [016] dNh. 16158657.841866: sched_wakeup: comm=java pid=23629 prio=120 target_cpu=016
我们也可以 trace sched 里面的所有事件：
echo 1 > events/sched/enable
cat trace | head -15
# tracer: nop
#
# _-----=> irqs-off
# / _----=> need-resched
# | / _---=> hardirq/softirq
# || / _--=> preempt-depth
# ||| / delay
# TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |||| | |
bash-29409 [010] d... 16158704.468377: sched_waking: comm=kworker/u81:2 pid=29339 prio=120 target_cpu=008
bash-29409 [010] d... 16158704.468378: sched_stat_sleep: comm=kworker/u81:2 pid=29339 delay=164314267 [ns]
bash-29409 [010] d... 16158704.468379: sched_wake_idle_without_ipi: cpu=8
bash-29409 [010] d... 16158704.468379: sched_wakeup: comm=kworker/u81:2 pid=29339 prio=120 target_cpu=008
bash-29409 [010] d... 16158704.468382: sched_stat_runtime: comm=bash pid=29409 runtime=360343 [ns] vruntime=131529875864926 [ns]
bash-29409 [010] d... 16158704.468383: sched_switch: prev_comm=bash prev_pid=29409 prev_prio=120 prev_state=S ==> next_comm=swapper/10 next_pid=0 next_prio=120
当然也可以 trace 所有的事件：
echo 1 > events/enable
cat trace | head -15
# tracer: nop
#
# _-----=> irqs-off
# / _----=> need-resched
# | / _---=> hardirq/softirq
# || / _--=> preempt-depth
# ||| / delay
# TASK-PID CPU# |||| TIMESTAMP FUNCTION
# | | | |||| | |
bash-29409 [010] .... 16158761.584188: writeback_mark_inode_dirty: bdi (unknown): ino=3089 state=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES flags=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES
bash-29409 [010] .... 16158761.584189: writeback_dirty_inode_start: bdi (unknown): ino=3089 state=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES flags=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES
bash-29409 [010] .... 16158761.584190: writeback_dirty_inode: bdi (unknown): ino=3089 state=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES flags=I_DIRTY_SYNC|I_DIRTY_DATASYNC|I_DIRTY_PAGES
bash-29409 [010] .... 16158761.584193: do_sys_open: "trace" 8241 666
bash-29409 [010] .... 16158761.584193: kmem_cache_free: call_site=ffffffff8e862614 ptr=ffff91d241fa4000
bash-29409 [010] .... 16158761.584194: sys_exit: NR 2 = 3
trace-cmd
从上面的例子可以看到，其实使用 ftrace 并不是那么方便，我们需要手动的去控制多个文件，但幸运的是，我们有 trace-cmd，作为 ftrace 的前端，trace-cmd 能够非常方便的让我们进行 ftrace 的操作，譬如我们可以使用 record 命令来 trace sched 事件：
trace-cmd record -e sched
然后使用 report 命令来查看 trace 的数据：
trace-cmd report | head -10
version = 6
CPU 27 is empty
cpus=40
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985281: sched_waking: comm=kworker/u82:3 pid=28507 prio=120 target_cpu=037
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985283: sched_migrate_task: comm=kworker/u82:3 pid=28507 prio=120 orig_cpu=37 dest_cpu=5
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985285: sched_stat_sleep: comm=kworker/u82:3 pid=28507 delay=137014529 [ns]
trace-cmd-29585 [023] 16159201.985286: sched_stat_runtime: comm=trace-cmd pid=29585 runtime=217630 [ns] vruntime=107586626253137 [ns]
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985286: sched_wake_idle_without_ipi: cpu=5
trace-cmd-29595 [037] 16159201.985286: sched_stat_runtime: comm=trace-cmd pid=29595 runtime=213227 [ns] vruntime=105364596011783 [ns]
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985287: sched_wakeup: kworker/u82:3:28507 [120] success=1 CPU:005
当然，在 report 的时候也可以加入自己的 filter 来过滤数据，譬如下面，我们就过滤出 sched_wakeup 事件并且是 success 为 1 的。
trace-cmd report -F 'sched/sched_wakeup: success == 1' | head -10
version = 6
CPU 27 is empty
cpus=40
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985287: sched_wakeup: kworker/u82:3:28507 [120] success=1 CPU:005
trace-cmd-29557 [003] 16159201.985292: sched_wakeup: trace-cmd:29561 [120] success=1 CPU:007
-0 [032] 16159201.985294: sched_wakeup: qps_json_driver:24669 [120] success=1 CPU:032
-0 [032] 16159201.985298: sched_wakeup: trace-cmd:29590 [120] success=1 CPU:026
-0 [010] 16159201.985300: sched_wakeup: trace-cmd:29563 [120] success=1 CPU:010
trace-cmd-29597 [037] 16159201.985302: sched_wakeup: trace-cmd:29595 [120] success=1 CPU:039
-0 [010] 16159201.985302: sched_wakeup: sshd:29395 [120] success=1 CPU:010
大家可以注意下 success == 1，这其实是一个对事件里面 field 进行的表达式运算了，对于不同的事件，我们可以通过查看起 format 来知道它的实际 fields 是怎样的，譬如：
cat events/sched/sched_wakeup/format
name: sched_wakeup
ID: 294
format:
field:unsigned short common_type; offset:0; size:2; signed:0;
field:unsigned char common_flags; offset:2; size:1; signed:0;
field:unsigned char common_preempt_count; offset:3; size:1; signed:0;
field:int common_pid; offset:4; size:4; signed:1;
field:char comm[16]; offset:8; size:16; signed:1;
field:pid_t pid; offset:24; size:4; signed:1;
field:int prio; offset:28; size:4; signed:1;
field:int success; offset:32; size:4; signed:1;
field:int target_cpu; offset:36; size:4; signed:1;
print fmt: "comm=%s pid=%d prio=%d target_cpu=%03d", REC->comm, REC->pid, REC->prio, REC->target_cpu
小结
上面只是简单的列出了 ftrace 相关的使用，后续我会在写一些我们或者业界是如何用 ftrace 来解决问题的。另外，我们正在用 ftrace 开发非常多的性能诊断工具，如果你对这一块感兴趣，欢迎联系我 [email protected]。