【eBPF-04】进阶:BCC 框架中 BPF 映射的应用 v2.0——尾调用

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这两天有空,继续更新一篇有关 eBPF BCC 框架尾调用的内容。eBPF 技术很新,能够参考的中文资料很少,而对于 BCC 框架而言,优秀的中文介绍和教程更是凤毛麟角。我尝试去网上检索有关尾调用的中文资料,BCC 框架的几乎没有。即使找到了,这些资料也难以给出可供参考和正确运行的例子。

这两天有空,继续更新一篇有关 eBPF BCC 框架尾调用的内容。

eBPF 技术很新,能够参考的中文资料很少,而对于 BCC 框架而言,优秀的中文介绍和教程更是凤毛麟角。我尝试去网上检索有关尾调用的中文资料,BCC 框架的几乎没有。即使找到了,这些资料也难以给出可供参考和正确运行的例子。

BCC 框架的中文资料也就图一乐,真正有指导意义的,还得去看 Brendan Gregg 大神的博客和 bcc 项目。

既然如此,我来抛砖引玉,就简单介绍一下 eBPF 尾调用在 BCC 框架中是如何应用的吧。

1 何为尾调用?

引用 ebpf.io 网站的一句介绍:“尾调用允许 eBPF 调用和执行另一个 eBPF 并替换执行上下文,类似于一个进程执行 execve() 系统调用的方式。”

也就是说,尾调用之后,函数不会再返回给调用者了。

那么,eBPF 为什么要使用尾调用呢?这是因为,eBPF 的运行栈太有限了(仅有 512 字节),在递归调用函数时(实际上是向运行栈中一节一节地添加栈帧),很容易导致栈溢出。而尾调用恰恰允许在不增加堆栈的情况下,调用一系列函数。这是非常有效且实用的。

你可以使用下面的辅助函数来增加一个尾调用:

long bpf_tail_call(void *ctx, struct bpf_map *prog_array_map, u32 index) 

其三个参数的含义分别是:

  • ctx 向被调用者传递当前 eBPF 程序的上下文信息。
  • prog_array_map 是一个程序数组(BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY)类型的 eBPF map,用于记录一组 eBPF 程序的文件描述符。
  • index 为程序数组中需要调用的 eBPF 程序索引。

2 如何使用尾调用?

关于 BCC 框架,reference_guide.md 给出了一个例子。见 27.map.call()

内核态程序:

// example.c BPF_PROG_ARRAY(prog_array, 10);			// A)定义程序数组  int tail_call(void *ctx) {     bpf_trace_printk("Tail-calln");     return 0; }  int do_tail_call(void *ctx) {     bpf_trace_printk("Original programn");     prog_array.call(ctx, 2);			// B)调用 ID 为 2 的函数     return 0; } 

用户态程序:

b = BPF(src_file="example.c") tail_fn = b.load_func("tail_call", BPF.KPROBE)		# C)尾调用函数定义 prog_array = b.get_table("prog_array") prog_array[c_int(2)] = c_int(tail_fn.fd)		# D)绑定尾调用函数 b.attach_kprobe(event="some_kprobe_event", fn_name="do_tail_call") 

代码解释:

A)尾调用的实现,基于 程序数组(BPF_PROG_ARRAY) 这一映射结构。程序数组也是一个键值对结构(废话,它也是 BPF_MAP 类型之一)。其 key 为自定义索引,用于寻找对应的调用程序;其 value 为尾调用函数的文件描述符 fd

B)调用尾调用函数需要执行 call() 方法,传入程序数组(BPF_PROG_ARRAY)中的 key,用来查找对应的函数 fd。

C)尾调用函数的定义在用户态完成。注意这里有一个易错点:尾调用需要和父调用保持相同的程序类型(这里是 BPF.KPROBE)。

D)绑定尾调用函数到程序数组中。不再赘述。

尾调用示意图如下图:
【eBPF-04】进阶:BCC 框架中 BPF 映射的应用 v2.0——尾调用

3 实现一个尾调用程序

明白尾调用则怎么玩之后,接下来,我们一起实现一个稍微复杂一点的尾调用,用来监视系统调用。

例子改编自《Learning eBPF》一书。目前该书还没有中文版本。

内核态程序:

// tail_hello.c BPF_PROG_ARRAY(syscall, 300);					// A  int hello(struct bpf_raw_tracepoint_args *ctx) {		// B     int opcode = ctx->args[1];					// C     syscall.call((void *)ctx, opcode);				// D     return 0; }  int hello_exec(void *ctx) {					// E     bpf_trace_printk("Executing a programn");     return 0; }  int hello_timer(struct bpf_raw_tracepoint_args *ctx) {		// F     int opcode = ctx->args[1];     switch (opcode) {         case 222:             bpf_trace_printk("Creating a timern");             break;         case 226:             bpf_trace_printk("Deleting a timern");             break;         default:             bpf_trace_printk("Some other timer operationn");             break;     }     return 0; } 

代码解释:

【A】BPF_PROG_ARRAY 宏定义,对应映射类型 BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY。在这里,命名为 syscall,容量为 300。

【B】即将被用户态代码绑定在 sys_enter 类别的 Tracepoint 上,即当有任何系统调用被执行时,都会触发这个函数。bpf_raw_tracepoint_args 类型的结构体 ctx 存放上下文信息。

译者注:sys_enterraw_syscalls 类型的 Tracepoint;同族还有 sys_exit

详细信息可查看文件:/sys/kernel/debug/tracing/events/raw_syscalls/sys_enter/format

【C】对于 sys_enter 类型的追踪点,其参数第 2 项为操作码,即指代即将执行的系统调用号。这里赋值给变量 opcode

【D】这一步,我们把 opcode 作为索引,进行尾调用,执行下一个 eBPF 程序。

再次提醒,这里的写法是 BCC 优化,在真正编译前,BCC 最终会将其重写为 bpf_tail_call 辅助函数。

【E】hello_execve(),程序数组的一项,对应 execve()系统调用。经由尾调用触发。

【F】hello_timer(),程序数组的一项,对应计时器相关的系统调用。经由尾调用触发。

现在,我们来看一下用户态的程序。

#!/usr/bin/python3 from bcc import BPF import ctypes as ct  b = BPF(src_file="tail_hello.c") b.attach_raw_tracepoint(tp="sys_enter", fn_name="hello")		# A  exec_fn = b.load_func("hello_exec", BPF.RAW_TRACEPOINT)			# B timer_fn = b.load_func("hello_timer", BPF.RAW_TRACEPOINT)  prog_array = b.get_table("syscall")					# C prog_array[ct.c_int(59)] = ct.c_int(exec_fn.fd) prog_array[ct.c_int(222)] = ct.c_int(timer_fn.fd) prog_array[ct.c_int(223)] = ct.c_int(timer_fn.fd) prog_array[ct.c_int(224)] = ct.c_int(timer_fn.fd) prog_array[ct.c_int(225)] = ct.c_int(timer_fn.fd) prog_array[ct.c_int(226)] = ct.c_int(timer_fn.fd)  b.trace_print()								# D 

代码解释:

【A】与前文绑定到 kprobe 不同,这次用户态将 hello() 主 eBPF 程序绑定到 sys_enter 追踪点(Tracepoint)上.

【B】这些 load_func() 方法用来将每个尾调用函数载入内核,并返回尾调用函数的文件描述符。尾调用需要和父调用保持相同的程序类型(这里是 BPF.RAW_TRACEPOINT)。

一定不要混淆,每个尾调用程序本身就是一个 eBPF 程序。

【C】接下来,向我们创建好的 syscall 程序数组中添充条目。大可不必全部填满,如果执行时遇到空的,那也没啥影响。同样的,将多个 index 指向同一个尾调用也是可以的(事实上这段程序就是这样做的,将计时器相关的系统调用指向同一个 eBPF 尾调用)。

译者注:这里的 ct.c_int() 来自 Python 的 ctypes 库,用于 Python 到 C 的类型转换。

【D】不断打印输出,直到用户终止程序。

4 运行这个尾调用程序

运行这个 Python 程序,恭喜你,你可能会得到一段报错:

/virtual/main.c:22:20: error: incompatible pointer to integer conversion passing 'void *' to parameter of type 'u64' (aka 'unsigned long long') [-Wint-conversion]     bpf_tail_call_((void *)bpf_pseudo_fd(1, -1), ctx, opcode);                    ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ /virtual/include/bcc/helpers.h:552:25: note: passing argument to parameter 'map_fd' here void bpf_tail_call_(u64 map_fd, void *ctx, int index) { 

出现这个问题,说明你的系统上 clang 版本为 15。不信你可以看一下:

clang -v 

我们可以在这个 issue 中找到问题描述(https://github.com/iovisor/bcc/issues/4642 )。
可以在这个 issue 中找到解决方案(https://github.com/iovisor/bcc/issues/4467 )。

大致意思就是,你尝试将一个 u64 类型的值转换成 void *。这在 clang-14 中仅仅是一个 warning,但是在 clang-15 中就会被认定为一个 error

你可以选择降低 clang 版本来解决这个问题。

运行截图如下所示:

【eBPF-04】进阶:BCC 框架中 BPF 映射的应用 v2.0——尾调用

5 总结

尾调用的适当应用,能够使 eBPF 如虎添翼。

然而,内核 4.2 版本才开始支持尾调用,在很长的一段时间内,尾调用和 BPF 的编译过程不太兼容(尾调用需要 JIT 编译器的支持)。直到 5.10 版本才解決了这个问题。

你可以最多链接 33 个尾调用(而每个 eBPF 程序的指令复杂度最大支持 100w)。这样一来,eBPF 终于能够真正发挥出巨大潜力来了。

至此,BCC 框架中 BPF 映射就先告一段落了,后面看经历是否在增加其他 BPF 映射结构的应用。

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