内核探测工具systemtap简介

systemtap是内核开发者必须要掌握的一个工具,本文我将简单介绍一下此工具,后续将会有系列文章介绍systemtap的用法。

什么是systemtap

假如现在有这么一个需求:需要获取正在运行的 Linux 系统的信息,如我想知道系统什么时候发生系统调用,发生的是什么系统调用等这些信息,有什么解决方案呢?

  • 最原始的方法是,找到内核系统调用的代码,加上我们需要获得信息的代码、重新编译内核、安装、选择我们新编译的内核重启。这种做法对于内核开发人员简直是梦魇,因为一遍做下来至少得需要1个多小时,不仅破坏了原有内核代码,而且如果换了一个需求又得重新做一遍上面的工作。所以,这种调试内核的方法效率是极其底下的。
  • 之后内核引入了一种Kprobe机制,可以用来动态地收集调试和性能信息的工具,是一种非破坏性的工具,用户可以用它跟踪运行中内核任何函数或执行的指令等。相比之前的做法已经有了质的提高了,但Kprobe并没有提供一种易用的框架,用户需要自己去写模块,然后安装,对用户的要求还是蛮高的。
  • systemtap 是利用Kprobe 提供的API来实现动态地监控和跟踪运行中的Linux内核的工具,相比Kprobe,systemtap更加简单,提供给用户简单的命令行接口,以及编写内核指令的脚本语言。对于开发人员,systemtap是一款难得的工具。

下面将会介绍systemtap的安装、systemtap的工作原理以及几个简单的示例。

systemtap 的安装

我的主机 Linux 发行版是32位 Ubuntu13.04,内核版本 3.8.0-30。由于 systemtap 运行需要内核的调试信息支撑,默认发行版的内核在配置时这些调试开关没有打开,所以安装完systemtap也是无法去探测内核信息的。 下面我以两种方式安装并运行 systemtap:

方法一

  1. 编译内核以支持systemtap
    我们重新编译内核让其支持systemtap,首先你想让内核中有调试信息,编译内核时需要加上 -g 标志;其次,你还需要在配置内核时将 Kprobe 和 debugfs 开关打开。最终效果是,你能在内核 .config 文件中看到下面四个选项是设置的:

    配置完之后,按照之前你编译内核的步骤编译即可。
  2. 获取systemtap源码
    从此地址 https://sourceware.org/systemtap/ftp/releases下载已经发布的systemtap的源代码,截至目前(2013.9.17)最新版本为systemtap-2.3。下载完之后解压。 当然你还可以使用 git 去克隆最新的版本(2.4),命令如下:
  3. 编译安装systemtap
    如果你下载的是最新版本的systemtap,那么你需要新版的 elfutils,可以从https://fedorahosted.org/releases/e/l/elfutils/ 下载elfutils-0.156 版本。下载之后解压缩到适合的目录(我放在~/Document/ 下),不需要安装,只要配置systemtap时指定其位置即可。 进入之前解压systemtap的目录,使用下面命令进行配置:

    以这里方法配置之后,你只需要再运行 make install 即完成systemtap的编译安装。如果需要卸载的话,运行 make uninstall

方法二

由于发行版的内核默认无内核调试信息,所以我们还需要一个调试内核镜像,在http://ddebs.ubuntu.com/pool/main/l/linux/ 找到你的内核版本相对应的内核调试镜像(版本号包括后面的发布次数、硬件体系等都必须一致),如针对我上面的内核版本,就可以用如下命令下载安装内核调试镜像:

一般这种方法下,你只需要使用apt在线安装systemtap即可:

当然方法二仅限于Ubuntu发行版,至于其他的发行版并不能照搬,网上也有很多相关的资料。

systemtap 测试示例

安装完systemtap之后,我们需要测试一下systemtap是否能正确运行:

示例一:打印hello systemtap

以root用户或者具有sudo权限的用户运行以下命令:

如果安装正确,会得到如下类似的输出结果:

示例二:打印4s内所有open系统调用的信息

创建systemtap脚本文件test2.stp:

将该脚本添加可执行的权限 chmod +x test2.stp ,使用./test2.stp 运行该脚本,即可打印4s内所有open系统调用的信息,打印格式为:进程名(进程号)打开什么文件。 大家可以自行去测试,如果两个示例都能正确运行,基本上算是安装成功了!

systemtap 工作原理

systemtap 的核心思想是定义一个事件(event),以及给出处理该事件的句柄(Handler)。当一个特定的事件发生时,内核运行该处理句柄,就像快速调用一个子函数一样,处理完之后恢复到内核原始状态。这里有两个概念:

  • 事件(Event):systemtap 定义了很多种事件,例如进入或退出某个内核函数、定时器时间到、整个systemtap会话启动或退出等等。
  • 句柄(Handler):就是一些脚本语句,描述了当事件发生时要完成的工作,通常是从事件的上下文提取数据,将它们存入内部变量中,或者打印出来。

Systemtap 工作原理是通过将脚本语句翻译成C语句,编译成内核模块。模块加载之后,将所有探测的事件以钩子的方式挂到内核上,当任何处理器上的某个事件发生时,相应钩子上句柄就会被执行。最后,当systemtap会话结束之后,钩子从内核上取下,移除模块。整个过程用一个命令 stap 就可以完成。 上面只是简单的原理,更多背后的机理参考网上资料和相应的论文。 systemtap_process图 systemtap 处理流程

更多参考

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