通过实例了解uprobe及其对性能的影响

前言

uprobe是用户空间探针的意思，可以用来给用户程序的任何地方下探针，不仅仅是函数粒度层级的。所以异常灵活。
如果不熟悉ftrace、uprobe, 可参考以下文档：
https://www.kernel.org/doc/Documentation/trace/ftrace.txt
https://www.kernel.org/doc/Documentation/trace/uprobetracer.txt
市面上有很多关于uprobe用法及原理的讨论，但是关于其性能方面的还比较少，本文就通过一个例子简单讲讲，同时读者也能从中直观的看到如何使用uprobe.

试验

#include<unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

long Fibon(int n)
{
        long f1 = 1;
        long f2 = 1;
        long f3 = 1;

        for(int i=2; i<n; i++)
        {
                f3 = f1+f2;
                f1 = f2;
                f2 = f3;
        }
        return f3;
}

clock_t start,stop;
double duration;

int main()
{
        printf("beginning...\n");
        start=clock();
        int n=90;
        for(int j=0; j<10000; j++){
                for(int i=1;i<n;i++){
                        Fibon(i);
                }
        }
        stop=clock();
        duration=((double)(stop-start));
        printf("ending..., cost=%f\n", duration);
        getchar();
}

gcc fibon.c -o fibon
运行90*10000次Fibon函数，如果不启用uprobe，需要
ending…, cost=168160.000000, 单位不管。

下面启用uprobe:

cd /sys/kernel/debug/tracing
echo 'p:fib /root/perf-tools/bin/fibon:0x666 %di' > uprobe_events
echo 1 > events/uprobes/enable
echo 1 > tracing_on
cat trace_pipe

0x616是函数Fibon相对于fibon二进制文件的偏移（偏移可以是任何地方，此处定为Fibon函数的起始位置, 也可以用Fibon代替），%di是Fibon函数的第一个参数。
trace_pipe的输出：

<...>-1212121 [000] d... 51234725.814331: fib: (0x400666) arg1=0x1
<...>-1212121 [000] d... 51234725.814332: fib: (0x400666) arg1=0x2
<...>-1212121 [000] d... 51234725.814333: fib: (0x400666) arg1=0x3
<...>-1212121 [000] d... 51234725.814334: fib: (0x400666) arg1=0x4
...

花费的时间：

# ./fibon
beginning...
ending..., cost=1216286.000000

168160 VS 1216286
大概慢了7倍。也就是探针花费的时间大概相当于6个Fibon函数自身的时间。
uprobe的原理大概是：
executable+offset处的代码会被替换成int3 -> 执行到此会触发SIGTRAP -> 转向内核处理中断 -> 转向用户态执行uprobe代码-> 继续执行原来的代码。内核与用户态的转换比较耗时。

executable+offset处的代码会被替换成int3（0xCC）：

(gdb) disass Fibon
Dump of assembler code for function Fibon:
   0x0000000000400666 <+0>:     *int3*
   0x0000000000400667 <+1>:     mov    %rsp,%rbp
   0x000000000040066a <+4>:     mov    %edi,-0x24(%rbp)
   0x000000000040066d <+7>:     movq   $0x1,-0x8(%rbp)

关闭uprobe后，指令恢复：

(gdb) disass Fibon
Dump of assembler code for function Fibon:
   0x0000000000400666 <+0>:     push   %rbp
   0x0000000000400667 <+1>:     mov    %rsp,%rbp
   0x000000000040066a <+4>:     mov    %edi,-0x24(%rbp)

如果于0x667处下探针：

(gdb) disass Fibon
Dump of assembler code for function Fibon:
   0x0000000000400666 <+0>:     push   %rbp
   0x0000000000400667 <+1>:     int3
   0x0000000000400668 <+2>:     mov    %esp,%ebp
   0x000000000040066a <+4>:     mov    %edi,-0x24(%rbp)

好了，春节期间，简单写写。

上面用的是Ftrace，简单补充一个bpftrace的写法：

bpftrace -e 'uprobe:/root/perf-tools/bin/fibon:Fibon {printf("arg1=0x%x\n", reg("di"));}'

bpftrace语法简单功能强大，但是要求比较高：内核版本4.1及以上。