linux内核：ftrace——追踪内核行为

文章目录

1. 简介
2. 使用
- 2.1 加入ftrace
- 2.2 ftrace 基础
- - 2.2.1 tracer
  - 2.2.2 filter（可选）
  - 2.2.3 读取trace
  - 2.2.4 ftrace_enabled
- 2.3 使用function_graph查看do_sys_open的执行过程
- 2.3 使用function查看do_sys_open的执行
- 2.3 使用wakeup
- 2.3 使用wakeup_rt
- 2.4 event
3. trace-cmd

1. 简介

ftrace是一套内核调试工具，从2.6版本之后集成到linux内核中。通过它可以轻松的追踪到内核发生的行为，也能调试分析延迟和性能问题。

在常见的linux发行版中，一般都使能了ftrace，它的操作目录在/sys/kernel/debug/tracing中
在这里插入图片描述

使用mount | grep tracefs命令验证ftrace是否可用

2. 使用

2.1 加入ftrace

在编译内核时需要将trace相关加入编译：

Kernel hacking -->Tracer --->....

ftrace通过debugfs向用户提供访问接口，所以需要系统挂载debugfs到/sys/kernel/debug/：
将如下内容添加到/etc/fstab:

debugfs  /sys/kernel/debug  debugfs  defaults  0  0

或者在运行时挂载：

mount  -t  debugfs  debugfs  /sys/kernel/debug

2.2 ftrace 基础

ftrace的使用步骤如下：

2.2.1 tracer

通过cat available_tracers可以查看当前可使用的追踪器：

[root@qemu_imx6ul:/tracing]# cat available_tracers
hwlat function_graph wakeup_dl wakeup_rt wakeup preemptirqsoff preemptoff irqsoff function nop

追踪器	作用
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	函数调用图表追踪器，可以看出哪个函数被哪个函数调用，何时返回
blk	block I/O追踪器,blktrace用户应用程序使用的跟踪器
mmiotrace	MMIO(Memory Mapped I/O)追踪器，用于Nouveau驱动程序等逆向工程
wakeup	跟踪进程唤醒信息，进程调度延迟追踪器
wakeup_rt	与wakeup相同，但以实时进程为对象
nop	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
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）
mmiotrace	一种特殊的跟踪器，用于跟踪二进制模块。它跟踪模块对硬件的所有调用
hwlat	硬件延迟跟踪器。它用于检测硬件是否产生任何延迟

通过写入current_tracer可以设置当前使用的追踪器

echo function_graph > current_tracer

2.2.2 filter（可选）

过滤器	作用
set_ftrace_filter	设置要跟踪的函数
set_ftrace_notrace	反向过滤器，设置后输出除了函数以外内容
set_graph_function	设置要跟踪的函数
set_graph_notrace	反向过滤器，打开后进入对应函数会关闭跟踪

通过cat available_filter_functions可以查看可被过滤的函数列表（数量很多）

[root@qemu_imx6ul:/tracing]# cat available_filter_functions | wc -l
31103

使用方法：

echo sys_open > set_ftrace_filter
echo sys_close >> set_ftrace_filter
echo '*_open' '*do*' > set_ftrace_filter

2.2.3 读取trace

读取对象	用途
trace	直接读当前trace缓冲区的跟踪内容，trace满之后会被覆盖
trace_pipe	作为管道被读取，有读清的机制

echo function > current_tracer
cat trace_pipe > /tmp/trace.out &
[1] 4153
echo 1 > tracing_on
usleep 1
echo 0 > tracing_on

2.2.4 ftrace_enabled

ftrace_enabled默认是使能的，不过需要时可以通过如下方式开关它

  sysctl kernel.ftrace_enabled=0sysctl kernel.ftrace_enabled=1orecho 0 > /proc/sys/kernel/ftrace_enabledecho 1 > /proc/sys/kernel/ftrace_enabled

2.3 使用function_graph查看do_sys_open的执行过程

#!/bin/bashdebugfs=`sed -ne 's/^debugfs \(.*\) debugfs.*/\1/p' /proc/mounts`
echo nop > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 0 > $debugfs/tracing/tracing_onecho $$ > $debugfs/tracing/set_ftrace_pid
echo do_sys_open > $debugfs/tracing/set_graph_function
echo function_graph > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 1 > $debugfs/tracing/tracing_onexec "$@"

[root@qemu_imx6ul:~/myfb-test]# cat /tracing/trace | head -40
# tracer: function_graph
#
# CPU  DURATION                  FUNCTION CALLS
# |     |   |                     |   |   |   |0)               |  do_sys_open() {0)               |    getname() {0)               |      getname_flags() {0) ! 979.000 us  |        kmem_cache_alloc();0)   ==========> |0)               |        gic_handle_irq() {0)               |          __handle_domain_irq() {0)               |            irq_enter() {0) + 25.334 us   |              rcu_irq_enter();0) + 20.333 us   |              preempt_count_add();0) # 1192.333 us |            }0) + 31.334 us   |            irq_find_mapping();0)               |            generic_handle_irq() {0)               |              handle_fasteoi_irq() {0)               |                _raw_spin_lock() {

如果命令执行时间很短，可以使用如下方式：
sh -c "echo $$ > set_ftrace_pid; echo 1 > tracing_on; kill xxx; echo 0 > tracing_on"

2.3 使用function查看do_sys_open的执行

#!/bin/bashdebugfs=`sed -ne 's/^debugfs \(.*\) debugfs.*/\1/p' /proc/mounts`
echo nop > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 0 > $debugfs/tracing/tracing_on
echo $$ > $debugfs/tracing/set_ftrace_pidecho do_sys_open > $debugfs/tracing/set_ftrace_filter
echo function > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 1 > $debugfs/tracing/tracing_onexec "$@"

[root@qemu_imx6ul:~/myfb-test]# cat /tracing/trace | head -40
# tracer: function
#
# entries-in-buffer/entries-written: 17/17   #P:1
#
#                              _-----=> irqs-off
#                             / _----=> need-resched
#                            | / _---=> hardirq/softirq
#                            || / _--=> preempt-depth
#                            ||| /     delay
#           TASK-PID   CPU#  ||||    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |   ||||       |         |myfb-test-239   [000] ...1  3462.834035: do_sys_open <-SyS_openmyfb-test-239   [000] ...1  3462.844034: do_sys_open <-SyS_openmyfb-test-239   [000] ...1  3462.851532: do_sys_open <-SyS_openmyfb-test-239   [000] ...1  3462.852319: do_sys_open <-SyS_openmyfb-test-239   [000] ...1  3462.853019: do_sys_open <-SyS_openmyfb-test-239   [000] ...1  3462.853713: do_sys_open <-SyS_open

2.3 使用wakeup

wakeup查看普通进程从被唤醒到真正执行的延时

[root@qemu_imx6ul:/tracing]# echo nop > current_tracer
[root@qemu_imx6ul:/tracing]# echo wakeup > current_tracer 
[root@qemu_imx6ul:/tracing]# echo 1 > tracing_on 
[root@qemu_imx6ul:/tracing]# cat trace | head -40
# tracer: wakeup
#
# wakeup latency trace v1.1.5 on 4.9.88-g8f6c88def
# --------------------------------------------------------------------
# latency: 9671 us, #4/4, CPU#0 | (M:preempt VP:0, KP:0, SP:0 HP:0 #P:1)
#    -----------------
#    | task: kworker/0:0H-5 (uid:0 nice:-20 policy:0 rt_prio:0)
#    -----------------
#
#                  _------=> CPU#            
#                 / _-----=> irqs-off        
#                | / _----=> need-resched    
#                || / _---=> hardirq/softirq 
#                ||| / _--=> preempt-depth   
#                |||| /     delay            
#  cmd     pid   ||||| time  |   caller      
#     \   /      |||||  \    |   /         mmcqd/1-104     0dn.5  620us#:    104:120:R   + [000]     5:100:R kworker/0:0Hmmcqd/1-104     0dn.5 3595us#: 0mmcqd/1-104     0d..3 8687us!: __schedulemmcqd/1-104     0d..3 8984us :    104:120:R ==> [000]     5:100:R kworker/0:0H

2.3 使用wakeup_rt

non-RT进程通常看平均延迟。RT进程的最大延迟非常有意义，反应了调度器的性能

2.4 event

event在ftrace中是一种低性能损耗，获取debug信息的一种信息输出机制。相对于printk，它有如下特点：

无需重新编译内核
不开启无性能损耗
开启不影响流程

event在ftrace中的events目录下：
在这里插入图片描述

事件以目录的形式作为主体，目录中的文件作为事件的属性。每个目录中都有一个enable文件，用于使能这个或者这类事件。

[root@qemu_imx6ul:/tracing/events/sched]# cd sched_switch
[root@qemu_imx6ul:/tracing/events/sched/sched_switch]# ls
enable   filter   format   id       trigger

[root@qemu_imx6ul:/tracing]# echo 1 > events/sched/sched_wakeup/enable
[root@qemu_imx6ul:/tracing]# echo nop > current_tracer
[root@qemu_imx6ul:/tracing]# cat trace | head -40
# tracer: nop
#
# entries-in-buffer/entries-written: 483/483   #P:1
#
#                              _-----=> irqs-off
#                             / _----=> need-resched
#                            | / _---=> hardirq/softirq
#                            || / _--=> preempt-depth
#                            ||| /     delay
#           TASK-PID   CPU#  ||||    TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |       |   ||||       |         |sh-176   [000] dns3 31291.656047: sched_wakeup: comm=rcu_preempt pid=7 prio=120 target_cpu=000sh-176   [000] dns2 31291.661390: sched_wakeup: comm=ksoftirqd/0 pid=3 prio=120 target_cpu=000sh-176   [000] dns2 31291.714298: sched_wakeup: comm=rcu_preempt pid=7 prio=120 target_cpu=000sh-176   [000] dns2 31291.722990: sched_wakeup: comm=ksoftirqd/0 pid=3 prio=120 target_cpu=000<idle>-0     [000] dnh4 31292.612645: sched_wakeup: comm=kworker/u2:0 pid=6 prio=120 target_cpu=000<idle>-0     [000] dns4 31292.619844: sched_wakeup: comm=kworker/0:2 pid=102 prio=120 target_cpu=000<idle>-0     [000] dns3 31292.621198: sched_wakeup: comm=ksoftirqd/0 pid=3 prio=120 target_cpu=000kworker/u2:0-6     [000] dn.3 31292.633752: sched_wakeup: comm=sh pid=176 prio=120 target_cpu=000<idle>-0     [000] dnh3 31293.270182: sched_wakeup: comm=init pid=1 prio=120 target_cpu=000

3. trace-cmd

每次如果都是通过读写文件的方式使用ftrace就太复杂了，这个过程可以通过命令行的形式完成，实现这个功能的软件是：trace-cmd

常用子命令	用法
start	开始追踪
stop	停止追踪
clear	清空追踪结果
show	查看缓冲区的追踪结果
reset	停止内核追踪并清空缓存
report	从trace.dat读取trace
record	记录追踪事件到trace.dat
list	列出可用的事件、选项、追踪器等

list:

-t：查看可用的追踪器
-e：查看可追踪的事件
-f：查看可追踪的函数

[root@qemu_imx6ul:~]# tmd list -f | grep do_sys_open
do_sys_open
[root@qemu_imx6ul:~]# tmd list -f | wc -l
31103
[root@qemu_imx6ul:~]# cat /tracing/available_filter_functions  | wc -l
31103

record：

-P {pid}：指定进程
-p {avalilable_tracers}：指定追踪器
-l {function}：指定要追踪的函数
-g {function}：指定要追踪的函数(For graph function)
--max-graph-depth 5：指定追踪的函数调用深度
-c -F：追踪子进程

例如：

[root@qemu_imx6ul:~]# trace-cmd start -p function
[root@qemu_imx6ul:~]# trace-cmd record -p function_graph -g do_sys_open -O funcgraph-proc ls
[root@qemu_imx6ul:~]# trace-cmd report | head -40
cpus=1trace-cmd-551   [000] 72595.333330: funcgraph_entry:                   |  do_sys_open() {trace-cmd-551   [000] 72595.493349: funcgraph_entry:                   |    getname() {trace-cmd-551   [000] 72595.493856: funcgraph_entry:                   |    gic_handle_irq() {trace-cmd-551   [000] 72595.495327: funcgraph_entry:                   |      __handle_domain_irq() {......