该教程通过12个简单小节帮助你了解bpftrace的使用。每一小节都是一行的命令，你可以尝试运行并立刻看到运行效果。该教程系列用来介绍bpftrace的概念。关于bpftrace的完整参考，见bpftrace手册。
该教程贡献者是Brendan Gregg, Netflix (2018), 基于他的FreeBSD DTrace教程系列DTrace Tutorial。
1. 列出所有探针
bpftrace -l 'tracepoint:syscalls:sys_enter_*'
"bpftrace -l" 列出所有探针，并且可以添加搜索项。
探针是用于捕获事件数据的检测点。 搜索词支持通配符，如 *和?。"bpftrace -l" 也可以通过管道传递给grep，进行完整的正则表达式搜索。
2. Hello World
# bpftrace -e 'BEGIN { printf("hello world\n"); }'
Attaching 1 probe...
hello world
^C
打印欢迎消息。运行后, 按Ctrl-C结束。
BEGIN是一个特殊的探针，在程序开始时触发探针执行(类似awk的BEGIN)。你可以使用它设置变量和打印消息头。探针可以关联动作，把动作放到{}中。这个例子中，探针被触发时会调用printf()。
3. 文件打开
# bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_enter_openat { printf("%s %s\n", comm, str(args.filename)); }'
Attaching 1 probe...
snmp-pass /proc/cpuinfo
snmp-pass /proc/stat
snmpd /proc/net/dev
snmpd /proc/net/if_inet6
^C
这里我们在文件打开的时候打印进程名和文件名。
该命令以 tracepoint:syscalls:sys_enter_openat开始: 这是tracepoint探针类型(内核静态跟踪)，当进入openat()系统调用时执行该探针。相比kprobes探针(内核动态跟踪，在第6节介绍)，我们更加喜欢用tracepoints探针，因为tracepoints有稳定的应用程序编程接口。注意：现代linux系统(glibc >= 2.26)，open总是调用openat系统调用。comm是内建变量，代表当前进程的名字。其它类似的变量还有pid和tid，分别表示进程标识和线程标识。args是一个包含所有tracepoint参数的结构。这个结构是由bpftrace根据tracepoint信息自动生成的。这个结构的成员可以通过命令bpftrace -vl tracepoint:syscalls:sys_enter_openat找到。args.filename用来获取args的成员变量filename的值。str()用来把字符串指针转换成字符串。
4. 进程级系统调用计数
bpftrace -e 'tracepoint:raw_syscalls:sys_enter { @[comm] = count(); }'
Attaching 1 probe...
^C
@[bpftrace]: 6
@[systemd]: 24
@[snmp-pass]: 96
@[sshd]: 125
按Ctrl-C后打印进程的系统调用计数。
@: 表示一种特殊的变量类型，称为map，可以以不同的方式来存储和描述数据。你可以在@后添加可选的变量名(如@num)，用来增加可读性或者区分不同的map。 []: 可选的中括号允许设置map的关键字，比较像关联数组。 count(): 这是一个map函数 - 记录被调用次数。因为调用次数根据comm保存在map里，输出结果是进程执行系统调用的次数统计。
Maps会在bpftrace结束(如按Ctrl-C)时自动打印出来。
5. read()返回值分布统计
# bpftrace -e 'tracepoint:syscalls:sys_exit_read /pid == 18644/ { @bytes = hist(args.ret); }'
Attaching 1 probe...
^C
@bytes:
[0, 1] 12 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ |
[2, 4) 18 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ |
[4, 8) 0 | |
[8, 16) 0 | |
[16, 32) 0 | |
[32, 64) 30 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[64, 128) 19 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ |
[128, 256) 1 |@
这里统计进程号为18644的进程执行内核函数sys_read()的返回值，并打印出直方图。
/.../: 这里设置一个过滤条件(条件判断)，满足该过滤条件时才执行{}里面的动作。在这个例子中意思是只追踪进程号为18644的进程。过滤条件表达式也支持布尔运算，如("&&", "||")。 ret: 表示函数的返回值。对于sys_read()，它可能是-1(错误)或者成功读取的字节数。 @: 类似于上节的map，但是这里没有key，即[]。该map的名称"bytes"会出现在输出中。 hist(): 一个map函数，用来描述直方图的参数。输出行以2次方的间隔开始，如 [128, 256)表示值大于等于128且小于256。后面跟着位于该区间的参数个数统计，最后是ascii码表示的直方图。该图可以用来研究它的模式分布。其它的map函数还有lhist(线性直方图)，count()，sum()，avg()，min()和max()。
6. 内核动态跟踪read()返回的字节数
# bpftrace -e 'kretprobe:vfs_read { @bytes = lhist(retval, 0, 2000, 200); }'
Attaching 1 probe...
^C
@bytes:
(...,0] 0 | |
[0, 200) 66 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[200, 400) 2 |@ |
[400, 600) 3 |@@ |
[600, 800) 0 | |
[800, 1000) 5 |@@@ |
[1000, 1200) 0 | |
[1200, 1400) 0 | |
[1400, 1600) 0 | |
[1600, 1800) 0 | |
[1800, 2000) 0 | |
[2000,...) 39 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ |
使用内核动态跟踪技术显示read()返回字节数的直方图。
kretprobe:vfs_read: 这是kretprobe类型(动态跟踪内核函数返回值)的探针，跟踪vfs_read内核函数。此外还有kprobe类型的探针(在下一节介绍)用于跟踪内核函数的调用。它们是功能强大的探针类型，让我们可以跟踪成千上万的内核函数。然而它们是"不稳定"的探针类型:由于它们可以跟踪任意内核函数，对于不同的内核版本，kprobe和kretprobe不一定能够正常工作。因为内核函数名，参数，返回值和作用等可能会变化。此外，由于它们用来跟踪底层内核的，你需要浏览内核源代码，理解这些探针的参数和返回值的意义。lhist(): 线性直方图函数:参数分别是value，最小值，最大值，步进值。第一个参数( retval)表示系统调用sys_read()返回值:即成功读取的字节数。
7. read()调用的时间
# bpftrace -e 'kprobe:vfs_read { @start[tid] = nsecs; } kretprobe:vfs_read /@start[tid]/ { @ns[comm] = hist(nsecs - @start[tid]); delete(@start[tid]); }'
Attaching 2 probes...
[...]
@ns[snmp-pass]:
[0, 1] 0 | |
[2, 4) 0 | |
[4, 8) 0 | |
[8, 16) 0 | |
[16, 32) 0 | |
[32, 64) 0 | |
[64, 128) 0 | |
[128, 256) 0 | |
[256, 512) 27 |@@@@@@@@@ |
[512, 1k) 125 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ |
[1k, 2k) 22 |@@@@@@@ |
[2k, 4k) 1 | |
[4k, 8k) 10 |@@@ |
[8k, 16k) 1 | |
[16k, 32k) 3 |@ |
[32k, 64k) 144 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[64k, 128k) 7 |@@ |
[128k, 256k) 28 |@@@@@@@@@@ |
[256k, 512k) 2 | |
[512k, 1M) 3 |@ |
[1M, 2M) 1 | |
根据进程名，以直方图的形式显示read()调用花费的时间，时间单位为纳秒。
@start[tid]: 使用线程ID作为key。某一时刻，可能有许许多多的read调用正在进行，我们希望为每个调用记录一个起始时间戳。这要如何做到呢？我们可以为每个read调用建立一个唯一的标识符，并用它作为key进行统计。由于内核线程一次只能执行一个系统调用，我们可以使用线程ID作为上述标识符。 nsecs: 自系统启动到现在的纳秒数。这是一个高精度时间戳，可以用来对事件计时。 /@start[tid]/: 该过滤条件检查起始时间戳是否被记录。程序可能在某次read调用中途被启动，如果没有这个过滤条件，这个调用的时间会被统计为now-zero，而不是now-start。 delete(@start[tid]): 释放变量。
8. 统计进程级别的事件
# bpftrace -e 'tracepoint:sched:sched* { @[probe] = count(); } interval:s:5 { exit(); }'
Attaching 25 probes...
@[tracepoint:sched:sched_wakeup_new]: 1
@[tracepoint:sched:sched_process_fork]: 1
@[tracepoint:sched:sched_process_exec]: 1
@[tracepoint:sched:sched_process_exit]: 1
@[tracepoint:sched:sched_process_free]: 2
@[tracepoint:sched:sched_process_wait]: 7
@[tracepoint:sched:sched_wake_idle_without_ipi]: 53
@[tracepoint:sched:sched_stat_runtime]: 212
@[tracepoint:sched:sched_wakeup]: 253
@[tracepoint:sched:sched_waking]: 253
@[tracepoint:sched:sched_switch]: 510
这里统计5秒内进程级的事件并打印。
sched: sched探针可以探测调度器的高级事件和进程事件如fork, exec和上下文切换。probe: 探针的完整名称。 interval:s:5: 这是一个每5秒在每个CPU上触发一次的探针，它用来创建脚本级别的间隔或超时时间。 exit(): 退出bpftrace。
9. 分析内核实时函数栈
# bpftrace -e 'profile:hz:99 { @[kstack] = count(); }'
Attaching 1 probe...
^C
[...]
@[
filemap_map_pages+181
__handle_mm_fault+2905
handle_mm_fault+250
__do_page_fault+599
async_page_fault+69
]: 12
[...]
@[
cpuidle_enter_state+164
do_idle+390
cpu_startup_entry+111
start_secondary+423
secondary_startup_64+165
]: 22122
以99赫兹的频率分析内核调用栈并打印次数统计。
profile:hz:99: 这里所有cpu都以99赫兹的频率采样分析内核栈。为什么是99而不是100或者1000？我们想要抓取足够详细的内核执行时内核栈信息，但是频率太大影响性能。100赫兹足够了，但是我们不想用正好100赫兹，这样采样频率可能与其他定时事件步调一致，所以99赫兹是一个理想的选择。 kstack: 返回内核调用栈。这里作为map的关键字，可以跟踪次数。这些输出信息可以使用火焰图可视化。此外 ustack用来分析用户级堆栈。
10. 调度器跟踪
# bpftrace -e 'tracepoint:sched:sched_switch { @[kstack] = count(); }'
^C
[...]
@[
__schedule+697
__schedule+697
schedule+50
schedule_timeout+365
xfsaild+274
kthread+248
ret_from_fork+53
]: 73
@[
__schedule+697
__schedule+697
schedule_idle+40
do_idle+356
cpu_startup_entry+111
start_secondary+423
secondary_startup_64+165
]: 305
这里统计进程上下文切换次数。以上输出被截断，只输出了最后两个结果。
sched: 跟踪调度类别的调度器事件:sched_switch, sched_wakeup, sched_migrate_task等。 sched_switch: 当线程释放cpu资源，当前不运行时触发。这里可能的阻塞事件:如等待I/O，定时器，分页/交换，锁等。 kstack: 内核堆栈跟踪，打印调用栈。 sched_switch在线程切换的时候触发，打印的调用栈是被切换出cpu的那个线程。像你使用其他探针一样，注意这里的上下文，例如comm, pid, kstack等等，并不一定反映了探针的目标的状态。
11. 块级I/O跟踪
# bpftrace -e 'tracepoint:block:block_rq_issue { @ = hist(args.bytes); }'
Attaching 1 probe...
^C
@:
[0, 1] 1 |@@ |
[2, 4) 0 | |
[4, 8) 0 | |
[8, 16) 0 | |
[16, 32) 0 | |
[32, 64) 0 | |
[64, 128) 0 | |
[128, 256) 0 | |
[256, 512) 0 | |
[512, 1K) 0 | |
[1K, 2K) 0 | |
[2K, 4K) 0 | |
[4K, 8K) 24 |@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@|
[8K, 16K) 2 |@@@@ |
[16K, 32K) 6 |@@@@@@@@@@@@@ |
[32K, 64K) 5 |@@@@@@@@@@ |
[64K, 128K) 0 | |
[128K, 256K) 1 |@@ |
以上是块I/O请求字节数的直方图。
tracepoint:block: 块类别的跟踪点跟踪块级I/O事件。 block_rq_issue: 当I/O提交到块设备时触发。 args.bytes: 跟踪点block_rq_issue的参数成员bytes，表示提交I/O请求的字节数。
该探针的上下文是非常重要的: 它在I/O请求被提交给块设备时触发。这通常发生在进程上下文，此时通过内核的comm可以得到进程名；也可能发生在内核上下文，(如readahead)，此时不能显示预期的进程号和进程名信息。
12. 内核结构跟踪
# cat path.bt
#ifndef BPFTRACE_HAVE_BTF
#include <linux/path.h>
#include <linux/dcache.h>
#endif
kprobe:vfs_open
{
printf("open path: %s\n", str(((struct path *)arg0)->dentry->d_name.name));
}
# bpftrace path.bt
Attaching 1 probe...
open path: dev
open path: if_inet6
open path: retrans_time_ms
[...]
这里使用内核动态跟踪技术跟踪vfs_read()函数，该函数的(struct path *)作为第一个参数。
kprobe: 如前面所述，这是内核动态跟踪kprobe探针类型，跟踪内核函数的调用(kretprobe探针类型跟踪内核函数返回值)。 arg0是一个内建变量，表示探针的第一个参数，其含义由探针类型决定。对于kprobe类型探针，它表示函数的第一个参数。其它参数使用arg1,...,argN访问。((struct path *)arg0)->dentry->d_name.name: 这里arg0作为struct path *并引用dentry。#include: 在没有BTF (BPF Type Format) 的情况下,包含必要的path和dentry类型声明的头文件。
bpftrace对内核结构跟踪的支持和bcc是一样的，允许使用内核头文件。这意味着大多数结构是可用的，但是并不是所有的，有时需要手动增加某些结构的声明。例如这个例子，见dcsnoop tool，包含struct nameidata的声明。倘若内核有提供BTF数据，则所有结构都可用。
现在，你已经理解了bpftrace的大部分功能，你可以开始使用和编写强大的一行命令。查阅参考手册更多的功能。
