一文搞懂 Ftrace 的实现原理

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arm64 栈帧结构

arm64 有31个通用寄存器 r0-r30，用法分别如下：

寄存器	意义
SP	Stack Pointer: 栈指针
r30	Link Register: 在调用函数时候，保存下一条要执行指令的地址
r29	Frame Pointer:保存函数栈的基地址
r28...r19
r18
r17
r16
r15...r9	临时寄存器
r8	在一些情况下，返回值是通过 r8 返回的
r7...r0	在函数调用过程中传递参数和返回值
NZCV	状态寄存器：N（Negative）负数 Z(Zero) 零 C(Carry) 进位 V(Overflow) 溢出

下面以如下代码为例，说明它的栈帧结构：

int fun2(int c,int d)
{
   return0;
}
 
int fun1(int a,int b)
{
   int c = 1;
   int d = 2;
  
   fun2(c, d);
   return0;
}
 
int main(int argc,char **argv)
{
   int a = 0;
   int b = 1;
   fun1(a,b);
}

其反汇编后的结果和对应栈帧结构为：

其详细步骤如下：

1. 每个函数在入口处首先会分配栈空间，且一次分配，确定栈顶，之后sp将不再变化；
2. 每个函数的栈顶部存放的是caller的栈顶指针，即fun1的栈顶存放的是main栈顶指针;
3. 对于最后一级callee函数，由于x29保存了上一级caller的栈顶sp指针，因此不在需要入栈保存，如示例中fun2执行时，此时x29指向fun1的栈顶sp

编译阶段

以 blk_update_request 为例，看下其开启 Ftrace 前后的反汇编代码:

可以看出，右图中多插入了一段【3f3c: 94000000 bl 0 <_mcount>】，那么是由谁何时插入的呢？

编译选项 -pg -mrecord-mcoun 会在编译时，在每个可 trace 的函数插入 bl 0 <_mcount>。

链接阶段

可以看出编译阶段的【3f3c: 94000000 bl 0 <_mcount>】，在链接阶段变成了【ffff8000104e43f4: 97ed1fde bl ffff80001002c36c <_mcount>】。

其中 _mcount 函数反汇编为：

ffff80001002c36c <_mcount>:
ffff80001002c36c:       d65f03c0        ret

运行阶段

ftrace_init 执行后的 blk_update_request

可见，内核在 start_kernel 执行时，会调用 ftrace_init，它会将所有可 trace 函数中的 _mcount 进行替换，如上可以看出链接阶段的 【bl ffff80001002c36c <_mcount>】 已经被替换为 【nop】 指令。

设定 trace 后的 blk_update_request

先执行如下命令来 trace 函数 blk_update_request：

$echo blk_update_request > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter

$echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer

然后再来查看blk_update_request反汇编代码：

可以看到之前在 blk_update_request 的 【nop】 指令被替换成 【bl 0xffff80001002c370 <ftrace_caller>】。函数 ftrace_caller 将调用用户注册的 trace 函数。

总结

1. 编译阶段。通过编译选项 -pg -mrecord-mcount 在每个支持 trace 的函数中插入 bl 0 <_mcount> 指令。
2. 链接阶段。会根据重定位段将 bl 0 <_mcount> 指令地址重定位为 _mcount 函数地址。
3. 运行阶段。

(1). ftrace_init：会将可 trace 函数中的 【bl      0 <_mcount>】 替换为 【nop】 指令；

(2). 执行 echo blk_update_request > set_ftrace_filter：会使能 blk_update_request 的钩子函数替换标记（nop 替换为 ftrace_caller）;

(3). 执行 echo function > current_tracer：将 ftrace_caller 中 ftrace_call 被替换为 ftrace_ops_no_ops，最终会调用到 function_trace_call。

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