深入剖析calltrace

一、calltrace介紹

Calltrace是Linux內核中實現函數調用跟蹤的一種方法。作為Linux內核調試的一項重要工具之一，其主要功能是自動記錄Linux內核中每個函數調用路徑，便於初步定位內核崩潰和性能問題等。

實現原理：當函數A調用函數B時，內核會自動將函數A的地址和函數B的地址記錄在一個緩衝區中，並將緩衝區的指針（虛擬地址）存儲在一個特殊寄存器中。當函數B返回時，這個緩衝區的指針就會被取出，記錄當前函數調用路徑的數據就會被寫入trace內核日誌文件中。

二、調用流程探究

調用流程可以分為三個主要部分：trace日誌輸出驅動、trace日誌記錄與寫入、trace日誌分析工具。

1、trace日誌輸出驅動

trace日誌輸出驅動是負責將trace日誌輸出到用戶空間的核心代碼，該代碼位於drivers/trace目錄下。在啟用CONFIG_TRACEPOINTS和CONFIG_EVENT_TRACING支持的情況下，內核將會編譯該模塊，並在內核啟動時自動加載。

void trace_printk_init(struct trace_array *tr)
{
    tr->trace_printk = __trace_printk;
}

void trace_printk(void *ignore, const char *fmt, ...)
{
    struct trace_array *tr = get_trace_kern(current);
    va_list args;

    if (!tr || !tr->trace_printk)
        return;

    va_start(args, fmt);
    vprintk(fmt, args);
    va_end(args);
}

2、trace日誌記錄與寫入

當trace日誌輸出驅動輸出trace日誌到用戶空間後，trace日誌記錄與寫入模塊將負責將trace日誌記錄到緩衝區並將緩衝區中的數據寫入trace內核日誌文件中。該模塊位於kernel/trace目錄下。

static inline
void trace_call_function_enqueue(struct trace_array *tr,
                 unsigned long ip, int depth, int idx)
{
    struct trace_event_call_template *call;
    unsigned long flags;
    unsigned long long parent, current, local_ts;

    parent = local_irq_save(flags);
    current = tr->trace_buffer.buffer->data[tr->trace_buffer.buffer->data_size - 1];

    if (depth >= CALLCHAIN_MAX_DEPTH || current == TRACE_SYSTEM_EVENT)
        goto out;

    local_ts = tr->timestamp_fn(tr);
    call = trace_event_buffer_reserve(&tr->trace_buffer, sizeof(*call), 0, local_ts);

    if (!call)
        goto out;

    call->parent_ip = current;
    call->ip = ip;
    call->depth = depth;
    call->call_idx = idx;
    trace_event_buffer_commit(&tr->trace_buffer);
out:
    local_irq_restore(flags);
}

3、trace日誌分析工具

最後一部分是trace日誌分析工具，在Linux中提供了多種分析trace日誌的工具，包括trace-cmd、perf、ftrace等。其中，trace-cmd是一個比較實用的工具，包含了trace日誌收集、解析和分析等功能，可以較方便地定位系統問題。

三、calltrace使用技巧

1、配置內核選項

首先需要在內核編譯配置中選擇CONFIG_TRACEPOINTS和CONFIG_EVENT_TRACING選項，以及選擇具體的tracepoints模塊。

CONFIG_TRACEPOINTS=y
CONFIG_EVENT_TRACING=y
# Select a tracepoints module
# CONFIG_FTRACE_SYSCALLS is not set
# CONFIG_FTRACE_MCOUNT_RECORD is not set
CONFIG_FTRACE_LATENCY_TRACKING=y
CONFIG_HAVE_DYNAMIC_FTRACE=y
CONFIG_DYNAMIC_FTRACE=y

2、開啟calltrace

可以通過sysfs接口來開啟或關閉calltrace。將tracer設置為function_graph，即可開啟calltrace。

echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer

3、查看calltrace日誌

使用trace-cmd工具可以查看calltrace日誌。下面是一個簡單的例子：

# 啟動trace-cmd
trace-cmd start
# 運行測試程序
./test_program
# 結束跟蹤
trace-cmd stop
# 查看trace日誌
trace-cmd report

四、總結

通過對calltrace的介紹和調用流程探究，我們可以了解到calltrace的重要性和使用方法。在Linux內核調試和性能優化中，這是一個不可缺少的工具。同時，我們也需要注意合理使用calltrace以及其他trace日誌工具，以保證系統性能。