使用 ftrace 调试 Linux 内核，第 3 部分-ftrace 提供的工具函数
简介： ftrace 是 Linux 内核中提供的一种调试工具。使用 ftrace 可以对内核中发生的事情进行跟踪，这在调试 bug 或者分析内核时非常有用。本系列文章对 ftrace 进行了介绍，分为三部分。本文是第三部分，通过示例代码介绍如何在代码中使用 ftrace 提供的工具函数，以与 ftrace 交互。通过本文的讲解，读者可以在实际代码中使用 ftrace，方便了调试和分析。
内核头文件 include/linux/kernel.h 中描述了 ftrace 提供的工具函数的原型，这些函数包括 trace_printk、tracing_on/tracing_off 等。本文通过示例模块程序向读者展示如何在代码中使用这些工具函数。
ftrace 提供了一个用于向 ftrace 跟踪缓冲区输出跟踪信息的工具函数，叫做 trace_printk()，它的使用方式与 printk() 类似。可以通过 trace 文件读取该函数的输出。从头文件 include/linux/kernel.h 中可以看到，在激活配置 CONFIG_TRACING 后，trace_printk() 定义为宏：
#define trace_printk(fmt, args...) \
...
|
下面通过一个示例模块 ftrace_demo 来演示如何使用 trace_printk() 向跟踪缓冲区输出信息，以及如何查看这些信息。这里的示例模块程序中仅提供了初始化和退出函数，这样读者不会因为需要为模块创建必要的访问接口比如设备文 件而分散注意力。注意，编译模块时要加入 -pg 选项。
清单 1. 示例模块 ftrace_demo
/*
* ftrace_demo.c
*/
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static int ftrace_demo_init(void)
{
trace_printk("Can not see this in trace unless loaded for the second time\n");
return 0;
}
static void ftrace_demo_exit(void)
{
trace_printk("Module unloading\n");
}
module_init(ftrace_demo_init);
module_exit(ftrace_demo_exit);
|
示例模块非常简单，仅仅是在模块初始化函数和退出函数中输出信息。接下来要对模块的运行进行跟踪，如清单 2 所示。
清单 2. 对模块 ftrace_demo 进行跟踪
[root@linux tracing]# pwd /sys/kernel/debug/tracing [root@linux tracing]# echo 0 > tracing_enabled [root@linux tracing]# echo 1 > /proc/sys/kernel/ftrace_enabled [root@linux tracing]# echo function_graph > current_tracer # 事先加载模块 ftrace_demo [root@linux tracing]# echo ':mod:ftrace_demo' > set_ftrace_filter [root@linux tracing]# cat set_ftrace_filter ftrace_demo_init ftrace_demo_exit # 将模块 ftrace_demo 卸载 [root@linux tracing]# echo 1 > tracing_enabled # 重新进行模块 ftrace_demo 的加载与卸载操作 [root@linux tracing]# cat trace # tracer: function_graph # # CPU DURATION FUNCTION CALLS # | | | | | | | 1) | /* Can not see this in trace unless loaded for the second time */ 0) | /* Module unloading */ |
在这个例子中，使用 mod 指令显式指定跟踪模块 ftrace_demo 中的函数，这需要提前加载该模块，否则在写文件 set_ftrace_filter 时会因为找不到该模块报错。这样在第一次加载模块时，其初始化函数 ftrace_demo_init 中调用 trace_printk 打印的语句就跟踪不到了。因此这里会将其卸载，然后激活跟踪，再重新进行模块 ftrace_demo 的加载与卸载操作。最终可以从文件 trace 中看到模块在初始化和退出时调用 trace_printk() 输出的信息。
这里仅仅是为了以简单的模块进行演示，故只定义了模块的 init/exit 函数，重复加载模块也只是为了获取初始化函数输出的跟踪信息。实践中，可以在模块的功能函数中加入对 trace_printk 的调用，这样可以记录模块的运作情况，然后对其特定功能进行调试优化。还可以将对 trace_printk() 的调用通过宏来控制编译，这样可以在调试时将其开启，在最终发布时将其关闭。
使用 tracing_on/tracing_off 控制跟踪信息的记录
在跟踪过程中，有时候在检测到某些事件发生时，想要停止跟踪信息的记录，这样，跟踪缓冲区中较新的数据是与该事件有关的。在用户态，可以通过 向文件 tracing_on 写入 0 来停止记录跟踪信息，写入 1 会继续记录跟踪信息。而在内核代码中，可以通过函数 tracing_on() 和 tracing_off() 来做到这一点，它们的行为类似于对 /sys/kernel/debug/tracing 下的文件 tracing_on 分别执行写 1 和 写 0 的操作。使用这两个函数，会对跟踪信息的记录控制地更准确一些，这是因为在用户态写文件 tracing_on 到实际暂停跟踪，中间由于上下文切换、系统调度控制等可能已经经过较长的时间，这样会积累大量的跟踪信息，而感兴趣的那部分可能会被覆盖掉了。
现在对清单 1 中的代码进行修改，使用 tracing_off() 来控制跟踪信息记录的暂停。
清单 3. 使用 tracing_off 的模块 ftrace_demo
/*
* ftrace_demo.c
* modified to demostrate the usage of tracing_off
*/
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static int ftrace_demo_init(void)
{
trace_printk("ftrace_demo_init called\n");
tracing_off();
return 0;
}
static void ftrace_demo_exit(void)
{
trace_printk("ftrace_demo_exit called\n");
tracing_off();
}
module_init(ftrace_demo_init);
module_exit(ftrace_demo_exit);
|
下面对其进行跟踪，如清单 4 所示。
清单 4. 跟踪
[root@linux tracing]# pwd /sys/kernel/debug/tracing [root@linux tracing]# echo 0 > tracing_enabled [root@linux tracing]# echo 1 > /proc/sys/kernel/ftrace_enabled [root@linux tracing]# echo 1 > tracing_on [root@linux tracing]# echo function > current_tracer [root@linux tracing]# echo 1 > tracing_enabled # 加载模块 ftrace_demo，模块初始化函数 ftrace_demo_init 被调用 [root@linux tracing]# cat tracing_on 0 [root@linux tracing]# cat trace | wc -l 120210 [root@linux tracing]# cat trace | grep -n ftrace_demo_init 120187: insmod-2897 [000] 2610.504611: ftrace_demo_init <-do_one_initcall 120193: insmod-2897 [000] 2610.504667: ftrace_demo_init: ftrace_demo_init called [root@linux tracing]# echo 1 > tracing_on # 继续跟踪信息的记录 # 卸载模块 ftrace_demo，模块函数 ftrace_demo_exit 被调用 [root@linux tracing]# cat tracing_on 0 [root@linux tracing]# wc -l trace 120106 trace [root@linux tracing]# grep -n ftrace_demo_exit trace 120106: rmmod-2992 [001] 3016.884449: : ftrace_demo_exit called |
在这个例子中，跟踪开始之前需要确保 tracing_on 的值为 1。跟踪开始后，加载模块 ftrace_demo，其初始化方法 ftrace_demo_init 被调用，该方法会调用 tracing_off() 函数来暂停跟踪信息的记录，这时文件 tracing_on 的值被代码设置为 0。查看文件 trace，可以看到 ftrace_demo_init 相关的记录位于跟踪信息的末端，这是因为从调用 trace_off() 到其生效需要一段时间，这段时间中的内核活动会被记录下来；相比从用户态读写 tracing_on 文件，这段时间开销要小了许多。卸载模块时的情况与此类似。从这里可以看到，在代码中使用 tracing_off() 可以控制将感兴趣的信息保存在跟踪缓冲区的末端位置，不会很快被新的信息所覆盖，便于及时查看。
实际代码中，可以通过特定条件（比如检测到某种异常状况，等等）来控制跟踪信息的记录，函数的使用方式类似如下的形式：
if (condition) tracing_on() or tracing_off() |
跟踪模块运行状况时，使用 ftrace 命令操作序列在用户态进行必要的设置，而在代码中则可以通过 traceing_on() 控制在进入特定代码区域时开启跟踪信息，并在遇到某些条件时通过 tracing_off() 暂停；读者可以在查看完感兴趣的信息后，将 1 写入 tracing_on 文件以继续记录跟踪信息。实践中，可以通过宏来控制是否将对这些函数的调用编译进内核模块，这样可以在调试时将其开启，在最终发布时将其关闭。
用户态的应用程序可以通过直接读写文件 tracing_on 来控制记录跟踪信息的暂停状态，以便了解应用程序运行期间内核中发生的活动。
本系列文章对 ftrace 的配置和使用进行了介绍。本文是其中的第三部分，通过示例代码介绍了 ftrace 所提供的部分工具函数的使用，包括 trace_printk、tracing_on/tracing_off 。至此，本系列文章的所有内容都已经介绍完毕。通过本系列文章，读者可以了解如何使用 ftrace 来对内核进行调试和分析。ftrace 使用起来非常灵活，并且支持多种跟踪器，而且它的框架结构使得在添加新的跟踪器的时候会比较方便。读者可以在以后的工作和学习中探索 ftrace 的各种用法。
- 内 核文档 Documentation/trace/ftrace.txt。
- LWN 上的 Debugging the kernel using Ftrace – part1, part2以及其它与 ftrace 相关的文章。
- 查看内核源码 kernel/trace目 录下的文件以了解工具函数的具体实现。
- 《 Linux Device Drivers, Third Edition 》对驱动程序模块的开发进行了讲解。
- 《 Understanding the Linux Kernel, Third Edition 》描述了 Linux 内核的实现。
- 在 developerWorks Linux 专区 寻找为 Linux 开发人员（包括 Linux 新手入门） 准备的更多参考资料，查阅我们 最受 欢迎的文章和教程。
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