内核探测工具systemtap简介

[hazirguo]

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一个多小时，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：

CONFIG_DEBUG_INFO
CONFIG_KPROBES
CONFIG_DEBUG_FS
CONFIG_RELAY

配置完之后，按照之前你编译内核的步骤编译即可。

1. 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：

git clone git://sources.redhat.com/git/systemtap.git

1. 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：

 ./configure --with-elfutils=~/Document/elfutils-0.156

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：

$ wget http://ddebs.ubuntu.com/pool/main/l/linux/linux-image-debug-3.8.0-30-generic_dbgsym_3.8.0-30.43_i386.ddeb
$ sudo dpkg -i linux-image-debug-3.8.0-30-generic_dbgsym_3.8.0-30.43_i386.ddeb

一般这种方法下，你只需要使用apt在线安装systemtap即可：

$sudo apt-get install systemtap

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：

$stap -ve 'probe begin { log("hello systemtap!") exit() }'

如果安装正确，会得到如下类似的输出结果：

Pass 1: parsed user script and 96 library script(s) using 55100virt/26224res/2076shr/25172data kb, in 120usr/0sys/119real ms.
Pass 2: analyzed script: 1 probe(s), 2 function(s), 0 embed(s), 0 global(s) using 55496virt/27016res/2172shr/25568data kb, in 0usr/0sys/4real ms.
Pass 3: translated to C into "/tmp/stapYqNuF9/stap_e2d1c1c9962c809ee9477018c642b661_939_src.c" using 55624virt/27380res/2488shr/25696data kb, in 0usr/0sys/0real ms.
Pass 4: compiled C into "stap_e2d1c1c9962c809ee9477018c642b661_939.ko" in 1230usr/160sys/1600real ms.
Pass 5: starting run.
hello systemtap!
Pass 5: run completed in 0usr/10sys/332real ms.

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:

#!/usr/bin/stap

probe begin 
{
    log("begin to probe")
}

probe syscall.open
{
    printf ("%s(%d) open (%s)\n", execname(), pid(), argstr)
}

probe timer.ms(4000) # after 4 seconds
{
    exit ()
}

probe end
{
    log("end to probe")
}

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。

图 systemtap 处理流程

更多参考

• systemtap 官网给出了自学教程及相关论文，选择看这个已经足够了： https://sourceware.org/systemtap/documentation.html
• IBM 编写的systemtap 指南也是很不错的： http://www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4469.html