【eBPF-04】进阶：BCC 框架中 BPF 映射的应用 v2.0——尾调用

这两天有空，继续更新一篇有关 eBPF BCC 框架尾调用的内容。

eBPF 技术很新，能够参考的中文资料很少，而对于 BCC 框架而言，优秀的中文介绍和教程更是凤毛麟角。我尝试去网上检索有关尾调用的中文资料，BCC 框架的几乎没有。即使找到了，这些资料也难以给出可供参考和正确运行的例子。

BCC 框架的中文资料也就图一乐，真正有指导意义的，还得去看 Brendan Gregg 大神的博客和 bcc 项目。

既然如此，我来抛砖引玉，就简单介绍一下 eBPF 尾调用在 BCC 框架中是如何应用的吧。

1 何为尾调用？

引用
ebpf.io
网站的一句介绍：“尾调用允许 eBPF 调用和执行另一个 eBPF 并替换执行上下文，类似于一个进程执行
execve()
系统调用的方式。”

也就是说，尾调用之后，函数不会再返回给调用者了。

那么，
eBPF 为什么要使用尾调用呢？
这是因为，eBPF 的运行栈太有限了（仅有 512 字节），在递归调用函数时（实际上是向运行栈中一节一节地添加栈帧），很容易导致栈溢出。而尾调用恰恰允许在不增加堆栈的情况下，调用一系列函数。这是非常有效且实用的。

你可以使用下面的辅助函数来增加一个尾调用：

long bpf_tail_call(void *ctx, struct bpf_map *prog_array_map, u32 index)

其三个参数的含义分别是：

ctx
向被调用者传递当前 eBPF 程序的上下文信息。
prog_array_map
是一个程序数组（
BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY
）类型的 eBPF
map
，用于记录一组 eBPF 程序的文件描述符。
index
为程序数组中需要调用的 eBPF 程序索引。

2 如何使用尾调用？

关于 BCC 框架，
reference_guide.md
给出了一个例子。见
27.map.call()

内核态程序：

// example.c
BPF_PROG_ARRAY(prog_array, 10);			// A）定义程序数组

int tail_call(void *ctx) {
    bpf_trace_printk("Tail-call\n");
    return 0;
}

int do_tail_call(void *ctx) {
    bpf_trace_printk("Original program\n");
    prog_array.call(ctx, 2);			// B）调用 ID 为 2 的函数
    return 0;
}

用户态程序：

b = BPF(src_file="example.c")
tail_fn = b.load_func("tail_call", BPF.KPROBE)		# C）尾调用函数定义
prog_array = b.get_table("prog_array")
prog_array[c_int(2)] = c_int(tail_fn.fd)		# D）绑定尾调用函数
b.attach_kprobe(event="some_kprobe_event", fn_name="do_tail_call")

代码解释：

A）尾调用的实现，基于
程序数组（BPF_PROG_ARRAY）
这一映射结构。程序数组也是一个键值对结构（废话，它也是 BPF_MAP 类型之一）。其 key 为自定义索引，用于寻找对应的调用程序；其 value 为尾调用函数的文件描述符
fd
。

B）调用
尾调用函数
需要执行
call()
方法，传入程序数组（BPF_PROG_ARRAY）中的 key，用来查找对应的函数 fd。

C）尾调用函数的定义在用户态完成。注意这里有一个易错点：
尾调用需要和父调用保持相同的程序类型（这里是
BPF.KPROBE
）。

D）绑定尾调用函数到程序数组中。不再赘述。

尾调用示意图如下图：
图片名称

3 实现一个尾调用程序

明白尾调用则怎么玩之后，接下来，我们一起实现一个稍微复杂一点的尾调用，用来监视系统调用。

例子改编自《Learning eBPF》一书。目前该书还没有中文版本。

内核态程序：

// tail_hello.c
BPF_PROG_ARRAY(syscall, 300);					// A

int hello(struct bpf_raw_tracepoint_args *ctx) {		// B
    int opcode = ctx->args[1];					// C
    syscall.call((void *)ctx, opcode);				// D
    return 0;
}

int hello_exec(void *ctx) {					// E
    bpf_trace_printk("Executing a program\n");
    return 0;
}

int hello_timer(struct bpf_raw_tracepoint_args *ctx) {		// F
    int opcode = ctx->args[1];
    switch (opcode) {
        case 222:
            bpf_trace_printk("Creating a timer\n");
            break;
        case 226:
            bpf_trace_printk("Deleting a timer\n");
            break;
        default:
            bpf_trace_printk("Some other timer operation\n");
            break;
    }
    return 0;
}

代码解释：

【A】
BPF_PROG_ARRAY
宏定义，对应映射类型
BPF_MAP_TYPE_PROG_ARRAY
。在这里，命名为
syscall
，容量为 300。

【B】即将被用户态代码绑定在
sys_enter
类别的
Tracepoint
上，即当有任何系统调用被执行时，都会触发这个函数。
bpf_raw_tracepoint_args
类型的结构体
ctx
存放上下文信息。

译者注：
sys_enter
是
raw_syscalls
类型的
Tracepoint
；同族还有
sys_exit
。
详细信息可查看文件：
/sys/kernel/debug/tracing/events/raw_syscalls/sys_enter/format

【C】对于
sys_enter
类型的追踪点，其参数第 2 项为操作码，即指代即将执行的系统调用号。这里赋值给变量
opcode
。

【D】这一步，我们把
opcode
作为索引，进行尾调用，执行下一个 eBPF 程序。

再次提醒，这里的写法是 BCC 优化，在真正编译前，BCC 最终会将其重写为
bpf_tail_call
辅助函数。

【E】
hello_execve()
，程序数组的一项，对应
execve()
系统调用。经由尾调用触发。

【F】
hello_timer()
，程序数组的一项，对应计时器相关的系统调用。经由尾调用触发。

现在，我们来看一下用户态的程序。

#!/usr/bin/python3
from bcc import BPF
import ctypes as ct

b = BPF(src_file="tail_hello.c")
b.attach_raw_tracepoint(tp="sys_enter", fn_name="hello")		# A

exec_fn = b.load_func("hello_exec", BPF.RAW_TRACEPOINT)			# B
timer_fn = b.load_func("hello_timer", BPF.RAW_TRACEPOINT)

prog_array = b.get_table("syscall")					# C
prog_array[ct.c_int(59)] = ct.c_int(exec_fn.fd)
prog_array[ct.c_int(222)] = ct.c_int(timer_fn.fd)
prog_array[ct.c_int(223)] = ct.c_int(timer_fn.fd)
prog_array[ct.c_int(224)] = ct.c_int(timer_fn.fd)
prog_array[ct.c_int(225)] = ct.c_int(timer_fn.fd)
prog_array[ct.c_int(226)] = ct.c_int(timer_fn.fd)

b.trace_print()								# D

代码解释：

【A】与前文绑定到
kprobe
不同，这次用户态将
hello()
主 eBPF 程序绑定到
sys_enter
追踪点（
Tracepoint
）上.

【B】这些
load_func()
方法用来将每个尾调用函数载入内核，并返回尾调用函数的
文件描述符
。尾调用需要和父调用保持相同的程序类型（这里是
BPF.RAW_TRACEPOINT
）。

一定不要混淆，每个尾调用程序本身就是一个 eBPF 程序。

【C】接下来，向我们创建好的
syscall
程序数组中添充条目。大可不必全部填满，如果执行时遇到空的，那也没啥影响。同样的，将多个
index
指向同一个尾调用也是可以的（事实上这段程序就是这样做的，将计时器相关的系统调用指向同一个 eBPF 尾调用）。

译者注：这里的
ct.c_int()
来自 Python 的 ctypes 库，用于 Python 到 C 的类型转换。

【D】不断打印输出，直到用户终止程序。

4 运行这个尾调用程序

运行这个 Python 程序，恭喜你，你可能会得到一段报错：

/virtual/main.c:22:20: error: incompatible pointer to integer conversion passing 'void *' to parameter of type 'u64' (aka 'unsigned long long') [-Wint-conversion]
    bpf_tail_call_((void *)bpf_pseudo_fd(1, -1), ctx, opcode);
                   ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
/virtual/include/bcc/helpers.h:552:25: note: passing argument to parameter 'map_fd' here
void bpf_tail_call_(u64 map_fd, void *ctx, int index) {

出现这个问题，说明你的系统上
clang
版本为 15。不信你可以看一下：

clang -v

我们可以在这个 issue 中找到问题描述（
https://github.com/iovisor/bcc/issues/4642
）。
可以在这个 issue 中找到解决方案（
https://github.com/iovisor/bcc/issues/4467
）。

大致意思就是，你尝试将一个
u64
类型的值转换成
void *
。这在
clang-14
中仅仅是一个
warning
，但是在
clang-15
中就会被认定为一个
error
。

你可以选择降低
clang
版本来解决这个问题。

运行截图如下所示：

图片名称

5 总结

尾调用的适当应用，能够使 eBPF 如虎添翼。

然而，内核 4.2 版本才开始支持尾调用，在很长的一段时间内，尾调用和 BPF 的编译过程不太兼容（尾调用需要 JIT 编译器的支持）。直到 5.10 版本才解決了这个问题。

你可以最多链接 33 个尾调用（而每个 eBPF 程序的指令复杂度最大支持 100w）。这样一来，eBPF 终于能够真正发挥出巨大潜力来了。

至此，BCC 框架中 BPF 映射就先告一段落了，后面看经历是否在增加其他 BPF 映射结构的应用。

如果您有问题，欢迎留言讨论！如果您觉得这篇文章还不错，请点一个推荐吧~

【eBPF-04】进阶：BCC 框架中 BPF 映射的应用 v2.0——尾调用

1 何为尾调用？

2 如何使用尾调用？

3 实现一个尾调用程序

4 运行这个尾调用程序

5 总结

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