eBPF是如何工作的

eBPF 全称“扩展的伯克利数据包过滤器 (Extended Berkeley Packet Filter)” 来看，它是一种数据包过滤技术，是从 BPF (Berkeley Packet Filter) 技术扩展而来的。

BPF 提供了一种在内核事件和用户程序事件发生时安全注入代码的机制，这就让非内核开发人员也可以对内核进行控制。随着内核的发展，BPF 逐步从最初的数据包过滤扩展到了网络、内核、安全、跟踪等，而且它的功能特性还在快速发展中，这种扩展后的 BPF 被简称为 eBPF（相应的，早期的 BPF 被称为经典 BPF，简称 cBPF）。实际上，现代内核所运行的都是 eBPF。

在 eBPF 之前，内核模块是注入内核的最主要机制。由于缺乏对内核模块的安全控制，内核的基本功能很容易被一个有缺陷的内核模块破坏。而 eBPF 则借助即时编译器（JIT），在内核中运行了一个虚拟机，保证只有被验证安全的 eBPF 指令才会被内核执行。同时，因为 eBPF 指令依然运行在内核中，无需向用户态复制数据，这就大大提高了事件处理的效率。

eBPF 程序并不像常规的线程那样，启动后就一直运行在那里，它需要事件触发后才会执行。这些事件包括系统调用、内核跟踪点、内核函数和用户态函数的调用退出、网络事件，等等。借助于强大的内核态插桩（kprobe）和用户态插桩（uprobe），eBPF 程序几乎可以在内核和应用的任意位置进行插桩。

通常我们借助 LLVM 把编写的 eBPF 程序转换为 BPF 字节码，然后再通过 bpf 系统调用提交给内核执行。内核在接受 BPF 字节码之前，会首先通过验证器对字节码进行校验，只有校验通过的 BPF 字节码才会提交到即时编译器执行。

如果 BPF 字节码中包含了不安全的操作，验证器会直接拒绝 BPF 程序的执行。比如，下面就是一些典型的验证过程：

• 只有特权进程才可以执行 bpf 系统调用；
• BPF 程序不能包含无限循环；
• BPF 程序不能导致内核崩溃；
• BPF 程序必须在有限时间内完成。

BPF 程序可以利用 BPF 映射（map）进行存储，而用户程序通常也需要通过 BPF 映射同运行在内核中的 BPF 程序进行交互。如下图所示，在性能观测中，BPF 程序收集内核运行状态存储在映射中，用户程序再从映射中读出这些状态。

可以看到，eBPF 程序的运行需要历经编译、加载、验证和内核态执行等过程，而用户态程序则需要借助 BPF 映射来获取内核态 eBPF 程序的运行状态。

eBPF 并不是万能的，它也有很多的局限性。下面是一些最常见的  eBPF 限制：

• eBPF 程序必须被验证器校验通过后才能执行，且不能包含无法到达的指令；
• eBPF 程序不能随意调用内核函数，只能调用在 API 中定义的辅助函数；
• eBPF 程序栈空间最多只有 512 字节，想要更大的存储，就必须要借助映射存储；
• 在内核 5.2 之前，eBPF 字节码最多只支持 4096 条指令，而 5.2 内核把这个限制提高到了 100 万条；
• 由于内核的快速变化，在不同版本内核中运行时，需要访问内核数据结构的 eBPF 程序很可能需要调整源码，并重新编译。

想要稳定运行 eBPF 程序，内核版本至少需要 4.9 或者更新。而在开发和学习 eBPF 时，为了体验最新的 eBPF 特性，推荐使用更新的 5.x 内核。