Linux 下的一个全新的性能测量和调式诊断工具 Systemtap，第 1 部分: kprobe
kprobe 的原理、编程接口、局限性和使用注意事项
本系列文章详细地介绍了一个Linux下的全新的调式、诊断和性能测量工具Systemtap和它所依赖的基础kprobe以及促使开发该工具的先驱DTrace并给出实际使用例子使读者更进一步了解和认识这些工具。 本文是该系列文章之一，它讲解了kprobe的原理、编程接口、局限性和使用注意事项并给出实际使用示例帮助读者理解和认识kprobe。本系列文章之二讲解了DTrace以及Systemtap与DTrace比较。本系列文章之三讲解了Systemtap的原理，并通过一个例子向读者展示Systemtap的工作机理。
一、kprobe简介
kprobe是一个动态地收集调试和性能信息的工具，它从Dprobe项目派生而来，是一种非破坏性工具，用户用它几乎可以跟踪任何函数或被执行的指令以及一些异步事件（如timer）。它的基本工作机制是：用户指定一个探测点，并把一个用户定义的处理函数关联到该探测点，当内核执行到该探测点时，相应的关联函数被执行，然后继续执行正常的代码路径。
kprobe实现了三种类型的探测点: kprobes, jprobes和kretprobes (也叫返回探测点)。 kprobes是可以被插入到内核的任何指令位置的探测点，jprobes则只能被插入到一个内核函数的入口，而kretprobes则是在指定的内核函数返回时才被执行。
一般，使用kprobe的程序实现作一个内核模块，模块的初始化函数来负责安装探测点，退出函数卸载那些被安装的探测点。kprobe提供了接口函数（APIs）来安装或卸载探测点。目前kprobe支持如下架构：i386、x86_64、ppc64、ia64(不支持对slot1指令的探测)、sparc64 (返回探测还没有实现)。
二、kprobe实现原理
当安装一个kprobes探测点时，kprobe首先备份被探测的指令，然后使用断点指令(即在i386和x86_64的int3指令)来取代被探测指令的头一个或几个字节。当CPU执行到探测点时，将因运行断点指令而执行trap操作，那将导致保存CPU的寄存器，调用相应的trap处理函数，而trap处理函数将调用相应的notifier_call_chain（内核中一种异步工作机制）中注册的所有notifier函数，kprobe正是通过向trap对应的notifier_call_chain注册关联到探测点的处理函数来实现探测处理的。当kprobe注册的notifier被执行时，它首先执行关联到探测点的pre_handler函数，并把相应的kprobe struct和保存的寄存器作为该函数的参数，接着，kprobe单步执行被探测指令的备份，最后，kprobe执行post_handler。等所有这些运行完毕后，紧跟在被探测指令后的指令流将被正常执行。
jprobe通过注册kprobes在被探测函数入口的来实现，它能无缝地访问被探测函数的参数。jprobe处理函数应当和被探测函数有同样的原型，而且该处理函数在函数末必须调用kprobe提供的函数jprobe_return()。当执行到该探测点时，kprobe备份CPU寄存器和栈的一些部分，然后修改指令寄存器指向jprobe处理函数，当执行该jprobe处理函数时，寄存器和栈内容与执行真正的被探测函数一模一样，因此它不需要任何特别的处理就能访问函数参数， 在该处理函数执行到最后时，它调用jprobe_return()，那导致寄存器和栈恢复到执行探测点时的状态，因此被探测函数能被正常运行。需要注意，被探测函数的参数可能通过栈传递，也可能通过寄存器传递，但是jprobe对于两种情况都能工作，因为它既备份了栈，又备份了寄存器，当然，前提是jprobe处理函数原型必须与被探测函数完全一样。
kretprobe也使用了kprobes来实现，当用户调用register_kretprobe()时，kprobe在被探测函数的入口建立了一个探测点，当执行到探测点时，kprobe保存了被探测函数的返回地址并取代返回地址为一个trampoline的地址，kprobe在初始化时定义了该trampoline并且为该trampoline注册了一个kprobe,当被探测函数执行它的返回指令时，控制传递到该trampoline，因此kprobe已经注册的对应于trampoline的处理函数将被执行，而该处理函数会调用用户关联到该kretprobe上的处理函数，处理完毕后，设置指令寄存器指向已经备份的函数返回地址，因而原来的函数返回被正常执行。
被探测函数的返回地址保存在类型为kretprobe_instance的变量中，结构kretprobe的maxactive字段指定了被探测函数可以被同时探测的实例数，函数register_kretprobe()将预分配指定数量的kretprobe_instance。如果被探测函数是非递归的并且调用时已经保持了自旋锁（spinlock），那么maxactive为1就足够了； 如果被探测函数是非递归的且运行时是抢占失效的，那么maxactive为NR_CPUS就可以了；如果maxactive被设置为小于等于0, 它被设置到缺省值（如果抢占使能， 即配置了 CONFIG_PREEMPT，缺省值为10和2*NR_CPUS中的最大值，否则缺省值为NR_CPUS）。
如果maxactive被设置的太小了，一些探测点的执行可能被丢失，但是不影响系统的正常运行，在结构kretprobe中nmissed字段将记录被丢失的探测点执行数，它在返回探测点被注册时设置为0，每次当执行探测函数而没有kretprobe_instance可用时，它就加1。
三、kprobe的接口函数
kprobe为每一类型的探测点提供了注册和卸载函数。
1．register_kprobe
它用于注册一个kprobes类型的探测点，其函数原型为：
int register_kprobe(struct kprobe *kp);
为了使用该函数，用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
该函数的参数是struct kprobe类型的指针，struct kprobe包含了字段addr、pre_handler、post_handler和fault_handler，addr指定探测点的位置，pre_handler指定执行到探测点时执行的处理函数，post_handler指定执行完探测点后执行的处理函数，fault_handler指定错误处理函数，当在执行pre_handler、post_handler以及被探测函数期间发生错误时，它会被调用。在调用该注册函数前，用户必须先设置好struct kprobe的这些字段，用户可以指定任何处理函数为NULL。
该注册函数会在kp->addr地址处注册一个kprobes类型的探测点，当执行到该探测点时，将调用函数kp->pre_handler，执行完被探测函数后，将调用kp->post_handler。如果在执行kp->pre_handler或kp->post_handler时或在单步跟踪被探测函数期间发生错误，将调用kp->fault_handler。
该函数成功时返回0，否则返回负的错误码。
探测点处理函数pre_handler的原型如下：
int pre_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs);
用户必须按照该原型参数格式定义自己的pre_handler，当然函数名取决于用户自己。参数p就是指向该处理函数关联到的kprobes探测点的指针，可以在该函数内部引用该结构的任何字段，就如同在使用调用register_kprobe时传递的那个参数。参数regs指向运行到探测点时保存的寄存器内容。kprobe负责在调用pre_handler时传递这些参数，用户不必关心，只是要知道在该函数内你能访问这些内容。
一般地，它应当始终返回0，除非用户知道自己在做什么。
探测点处理函数post_handler的原型如下：
void post_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, unsigned long flags);
前两个参数与pre_handler相同，最后一个参数flags总是0。
错误处理函数fault_handler的原刑如下：
int fault_handler(struct kprobe *p, struct pt_regs *regs, int trapnr);
前两个参数与pre_handler相同，第三个参数trapnr是与错误处理相关的架构依赖的trap号（例如，对于i386，通常的保护错误是13，而页失效错误是14）。
如果成功地处理了异常，它应当返回1。
2．register_jprobe
该函数用于注册jprobes类型的探测点，它的原型如下：
int register_jprobe(struct jprobe *jp);
为了使用该函数，用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
用户在调用该注册函数前需要定义一个struct jprobe类型的变量并设置它的kp.addr和entry字段，kp.addr指定探测点的位置，它必须是被探测函数的第一条指令的地址，entry指定探测点的处理函数，该处理函数的参数表和返回类型应当与被探测函数完全相同，而且它必须正好在返回前调用jprobe_return()。如果被探测函数被声明为asmlinkage、fastcall或影响参数传递的任何其他形式，那么相应的处理函数也必须声明为相应的形式。
该注册函数在jp->kp.addr注册一个jprobes类型的探测点，当内核运行到该探测点时，jp->entry指定的函数会被执行。
如果成功，该函数返回0，否则返回负的错误码。
3．register_kretprobe
该函数用于注册类型为kretprobes的探测点，它的原型如下：
int register_kretprobe(struct kretprobe *rp);
为了使用该函数，用户需要在源文件中包含头文件linux/kprobes.h。
该注册函数的参数为struct kretprobe类型的指针，用户在调用该函数前必须定义一个struct kretprobe的变量并设置它的kp.addr、handler以及maxactive字段，kp.addr指定探测点的位置，handler指定探测点的处理函数，maxactive指定可以同时运行的最大处理函数实例数，它应当被恰当设置，否则可能丢失探测点的某些运行。
该注册函数在地址rp->kp.addr注册一个kretprobe类型的探测点，当被探测函数返回时，rp->handler会被调用。
如果成功，它返回0，否则返回负的错误码。
kretprobe处理函数的原型如下：
int kretprobe_handler(struct kretprobe_instance *ri, struct pt_regs *regs);
参数regs指向保存的寄存器，ri指向类型为struct kretprobe_instance的变量，该结构的ret_addr字段表示返回地址，rp指向相应的kretprobe_instance变量，task字段指向相应的task_struct。结构struct kretprobe_instance是注册函数register_kretprobe根据用户指定的maxactive值来分配的，kprobe负责在调用kretprobe处理函数时传递相应的kretprobe_instance。
4．unregister_*probe
对应于每一个注册函数，有相应的卸载函数。
void unregister_kprobe(struct kprobe *kp); void unregister_jprobe(struct jprobe *jp); void unregister_kretprobe(struct kretprobe *rp);
上面是对应与三种探测点类型的卸载函数，当使用探测点的模块卸载或需要卸载已经注册的探测点时，需要使用相应的卸载函数来卸载已经注册的探测点，kp，jp和rp分别为指向结构struct kprobe，struct jprobe和struct kretprobe的指针，它们应当指向调用对应的注册函数时使用的那个结构，也就说注册和卸载必须针对同样的探测点，否则会导致系统崩溃。这些卸载函数可以在注册后的任何时刻调用。
四、kprobe的特点和限制
kprobe允许在同一地址注册多个kprobes，但是不能同时在该地址上有多个jprobes。
通常，用户可以在内核的任何位置注册探测点，特别是可以对中断处理函数注册探测点，但是也有一些例外。如果用户尝试在实现kprobe的代码(包括kernel/kprobes.c和arch/*/kernel/kprobes.c以及do_page_fault和notifier_call_chain)中注册探测点，register_*probe将返回-EINVAL.
如果为一个内联(inline)函数注册探测点，kprobe无法保证对该函数的所有实例都注册探测点，因为gcc可能隐式地内联一个函数。因此，要记住，用户可能看不到预期的探测点的执行。
一个探测点处理函数能够修改被探测函数的上下文，如修改内核数据结构，寄存器等。因此，kprobe可以用来安装bug解决代码或注入一些错误或测试代码。
如果一个探测处理函数调用了另一个探测点，该探测点的处理函数不将运行，但是它的nmissed数将加1。多个探测点处理函数或同一处理函数的多个实例能够在不同的CPU上同时运行。
除了注册和卸载，kprobe不会使用mutexe或分配内存。
探测点处理函数在运行时是失效抢占的，依赖于特定的架构，探测点处理函数运行时也可能是中断失效的。因此，对于任何探测点处理函数，不要使用导致睡眠或进程调度的任何内核函数（如尝试获得semaphore)。
kretprobe是通过取代返回地址为预定义的trampoline的地址来实现的，因此栈回溯和gcc内嵌函数__builtin_return_address()调用将返回trampoline的地址而不是真正的被探测函数的返回地址。
如果一个函数的调用次数与它的返回次数不相同，那么在该函数上注册的kretprobe探测点可能产生无法预料的结果（do_exit()就是一个典型的例子，但do_execve() 和 do_fork()没有问题）。
当进入或退出一个函数时，如果CPU正运行在一个非当前任务所有的栈上，那么该函数的kretprobe探测可能产生无法预料的结果，因此kprobe并不支持在x86_64上对__switch_to()的返回探测，如果用户对它注册探测点，注册函数将返回-EINVAL。
五、如何让内核支持kprobe
kprobe已经被包含在2.6内核中，但是只有最新的内核才提供了上面描述的全部功能，因此如果读者想实验本文附带的内核模块，需要最新的内核，作者在2.6.18内核上测试的这些代码。内核缺省时并没有使能kprobe，因此用户需使能它。
为了使能kprobe，用户必须在编译内核时设置CONFIG_KPROBES，即选择在“Instrumentation Support“中的“Kprobes”项。如果用户希望动态加载和卸载使用kprobe的模块，还必须确保“Loadable module support” (CONFIG_MODULES)和“Module unloading” (CONFIG_MODULE_UNLOAD)设置为y。如果用户还想使用kallsyms_lookup_name()来得到被探测函数的地址，也要确保CONFIG_KALLSYMS设置为y，当然设置CONFIG_KALLSYMS_ALL为y将更好。
六、kprobe使用实例
本文附带的包包含了三个示例模块，kprobe-exam.c是kprobes使用示例，jprobe-exam.c是jprobes使用示例，kretprobe-exam.c是kretprobes使用示例，读者可以下载该包并执行如下指令来实验这些模块：
$ tar -jxvf kprobes-examples.tar.bz2 $ cd kprobes-examples $ make … $ su - … $ insmod kprobe-example.ko $ dmesg … $ rmmod kprobe-example $ dmesg … $ insmod jprobe-example.ko $ cat kprobe-example.c $dmesg … $ rmmod jprobe-example $ dmesg … $ insmod kretprobe-example.ko $ dmesg … $ ls -Rla / > /dev/null & $ dmesg … $ rmmod kretprobe-example $ dmesg … $
示例模块kprobe-exame.c探测schedule()函数，在探测点执行前后分别输出当前正在运行的进程、所在的CPU以及preempt_count()，当卸载该模块时将输出该模块运行时间以及发生的调度次数。这是该模块在作者系统上的输出：
kprobe registered current task on CPU#1: swapper (before scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: swapper (after scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#0: insmod (before scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#0: insmod (after scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: klogd (after scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: klogd (after scheduling), preempt_count = 0 current task on CPU#1: klogd (before scheduling), preempt_count = 0 … Scheduling times is 5918 during of 7655 milliseconds. kprobe unregistered
示例模块jprobe-exam.c是一个jprobes探测例子，它示例了获取系统调用open的参数，但读者不要试图在实际的应用中这么使用，因为copy_from_user可能导致睡眠，而kprobe并不允许在探测点处理函数中这么做（请参看前面内容了解详细描述）。
这是该模块在作者系统上的输出：
Registered a jprobe.
process 'cat' call open('/etc/ld.so.cache', 0, 0)
process 'cat' call open('/lib/libc.so.6', 0, -524289)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/locale-archive', 32768, 1)
process 'cat' call open('/usr/share/locale/locale.alias', 0, 438)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/en_US.UTF-8/LC_CTYPE', 0, 0)
process 'cat' call open('/usr/lib/locale/en_US.utf8/LC_CTYPE', 0, 0)
process 'cat' call open('/usr/lib/gconv/gconv-modules.cache', 0, 0)
process 'cat' call open('kprobe-exam.c', 32768, 0)
…
process 'rmmod' call open('/etc/ld.so.cache', 0, 0)
process 'rmmod' call open('/lib/libc.so.6', 0, -524289)
process 'rmmod' call open('/proc/modules', 0, 438)
jprobe unregistered示例模块kretprobe-exam.c是一个返回探测例子，它探测系统调用open并输出返回值小于0的情况。它也有意设置maxactive为1，以便示例丢失探测运行的情况，当然，只有系统并发运行多个sys_open才可能导致这种情况，因此，读者需要有SMP的系统或者有超线程支持才能看到这种情况。如果读者比较仔细，会看到在前面的命令有”ls -Rla / > /dev/null & ，那是专门为了导致出现丢失探测运行的。
这是该模块在作者系统上的输出：
Registered a return probe. sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 sys_open returns -2 … kretprobe unregistered Missed 11 sys_open probe instances.
小结
本文详细地讲解了kprobe的方方面面并给出实际的例子代码帮助读者学习和使用kprobe。本文是系列文章“Linux下的一个全新的性能测量和调式诊断工具 -- Systemtap”之一，有兴趣的读者可以阅读该系列文章之二和三。
参考资料
- Gaining insight into the Linux kernel with Kprobes
- Kernel debugging with Kprobes
- Linux kernel documentation, Documentation/kprobes.txt
- Linux kernel source code, linux-2.6.18
- 使用Kprobes 调试内核
- Systemtap
- 中国Linux大学
