浅析Linux追踪技术之ftrace：综述

文章目录

- 概述
- Ftrace工作原理
- - Ftrace追踪器
  - Ftrace探测技术
  - - GCC的profile特性
- tracefs文件系统
- - 控制文件
  - trace信息
- Ftrace使用
- - tracer配置步骤
  - function tracer使用示例
- 相关参考

概述

Ftrace，全称Function Tracer，是一个内部跟踪器，旨在帮助系统的开发人员和设计人员了解内核内部的情况，可以用来调试或分析在系统中发生的延迟和性能问题。尽管ftrace通常被认为是函数跟踪器，但它实际上是由几个不同的跟踪实用程序组成的框架。

Ftrace工作原理

Ftrace的基本工作原理是在内核函数中加入各种探测点，利用探测点跟踪函数的运行信息，然后将跟踪信息打印到内核的一个Ring Buffer中，而用户可以通过tracefs/debugfs来访问Ring Buffer中的数据。Ftrace的架构示意如下：
在这里插入图片描述

Ftrace包含两个核心组成：

Framework core：管理各种tracer，同时利用tracefs文件系统对用户空间提供配置选项以及输出trace信息；
tracers：ftrace实现了多种类型的tracer（追踪器），例如Function tracer、Function graph tracer等。tracer负责将trace信息保存到Ring Buffer中。

Ftrace追踪器

nop：空操作跟踪器，不会跟踪任何内核活动，将 nop 写入 current_tracer 文件可以删除之前所使用的跟踪器，并清空之前收集到的跟踪信息，即刷新trace文件；
function：函数调用追踪器，可以看出哪个函数何时调用，可以通过过滤器指定要跟踪的函数；
function_graph：函数调用图跟踪器，可以清晰展现出函数的调用层次关系以及返回情况；
sched_switch：进程上下文切换跟踪器，用来跟踪系统中进程切换情况；
irqsoff ：中断跟踪器，跟踪禁止中断的函数及相关信息；
preemptoff ：抢占跟踪器，跟踪禁止内核抢占的函数及相关信息；
preemptirqsoff ：抢占与中断跟踪器，可以看做irqsoff 与preemptoff 二者的组合；
mmiotrace：内存映射输入输出跟踪器，跟踪记录Memory Mapped I/O相关信息；
wakeup ：进程调度延迟跟踪器，记录高优先级进程从被唤醒到被系统调度执行期间的最大延迟时间；
wakeup_rt ：实时进程调度延迟跟踪器，与wakeup 跟踪器类似，但跟踪对象为实时进程；
wakeup_dl ：跟踪并记录唤醒SCHED_DEADLINE任务所需的最大延迟（如"wakeup”和"wakeup_rt”一样）
blk ：I/O追踪器，blktrace用户应用程序使用的跟踪器；
hwlat ：硬件延迟跟踪器。它用于检测硬件是否产生任何延迟。

Ftrace探测技术

Ftrace本质上是一种代码插桩技术，根据插桩方式的差异，Ftrace的探测机制可以分为以下两种：

静态探针：静态探测是在内核代码中调用ftrace提供的相应接口实现，通过在代码流程中手动插入一些tracepoint，用于支持Event tracing（事件跟踪），在内核编译后，就不能再动态修改。这些tracepoint的开关由内核配置选项控制。内核已经在一些关键的地方设置了静态探测点，可以在需要的时候查看；
动态探针：动态探测利用了GCC编译的profile特性，在内核编译时，在每个函数入口保留数个字节，然后在使用ftrace时，将保留的字节替换为需要的指令，比如跳转到需要的执行探测操作的代码，包括function tracer、function graph tracer都是基于动态探测机制实现。

GCC的profile特性

GCC支持profile特性，profile特性是在编译时添加-pg选项，这样GCC会在所有函数的入口处加入对mcount的指令调用。用户可以自定义mcount函数，从而实现对函数的跟踪。
在这里插入图片描述

tracefs文件系统

Ftrace利用tracefs文件文件系统向用户空间提供控制文件，同时输出trace信息。
在这里插入图片描述

为了使用ftrace，需要先挂载tracefs文件系统，可以使用手动挂载或者自动挂载的方式。手动挂载的命令如下：

mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing

自动挂载需要修改/etc/fstab文件，可以在/etc/fstab添加下列配置：

tracefs       /sys/kernel/tracing       tracefs defaults        0       0

在Linux内核的早期版本，ftrace使用debugfs文件系统存放所有的控制文件，目录位于/sys/kernel/debug/tracing。为了保持向后兼容，当挂载debugfs文件系统时，tracefs文件系统也会自动被挂载到/sys/kernel/debug/tracing目录中，因此/sys/kernel/trace和/sys/kernel/debug/tracing目录中的内容是相同的。