在Golang中利用BPF进行动态追踪

Part 1 背景

Golang作为云原生领域中使用最广泛的编程技术，是我们MatrixOrigin数据库主力开发语言。Golang本身提供了pprof性能剖析工具，可以让我们快速，粗略的分析性能瓶颈，在日常开发中广泛使用。然而，随着性能调优要求不断升高，我们需要更精准的性能指标，比如某个特定golang函数的执行时间，此时pprof就无能为力了，我们必须另想办法。

第一反应，我们可以考虑人工加入计时函数，然后重新编译代码执行。该方案当然可行，但是缺点也很明显，对每个需要分析的函数都要修改代码，重新编译执行。该方案工作量比较大，也不易维护。如果是线上系统，往往无法修改代码。

那么，是否有更好的方法来测量特定函数的时延？最好是不用修改代码并重新编译。答案是：Yes。

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Part 2 历史

01 Uprobe

如果想在不修改代码的前提下，实现修改代码测量的功能，那么自然而然的选择，则在程序运行时动态的修改程序的代码段，加入我们自定义逻辑。

Linux开发者们，提供了在程序运行时，动态修改程序代码的功能——uprobe。它可以修改指定汇编代码为int3指令，并把原指令保存起来。当应用程序运行到int3指令时，便会触发异常，切换到Linux内核态，这里可以执行提前好的测量逻辑。随后返回用户空间，执行最开始被int3替换并保存的指令。在应用程序看来，一切都毫无感觉。而我们的测量逻辑，记录了当前时间。如果我们在函数开始和结束，各记录一次，则可以通过计算差值，得到函数的执行时间。

02 BPF

Uprobe机制，提供了动态追踪应用程序的基础框架。然而，它依旧很难使用，测量逻辑需要写Linux内核模块，这对大多数应用程序开发者来说，使用门槛依旧很高。

随着BPF技术横空出世，Linux内核开发者们，将其整合进入了uprobe框架。从而可以使用类似C的代码，编写动态追踪逻辑。这比Linux内核模块实现，要简单多了。

03 Bpftrace

为了进一步降低uprobe + BPF 的使用门槛，开发者们设计并实现了bpftrace工具，它作为BPF的前端，利用类似于脚本语法的简单方式，编译生成BPF程序并自动加载。这在我们分析应用程序时，可以非常快速的实现动态测量程序。也可以提前准备好脚本，直接拿来使用。

Bpftrace原本设计主要是针对C语言开发的应用场景，那么它可以用在golang环境中吗？答案是可以，但是需要调整。接下来的篇幅，将介绍如何让bpftrace在golang环境中正确的使用。

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Part 3 当BPF遇上Golang

01 问题

Golang作为一种编译型语言，理论上可以直接使用uprobe + BPF进行动态追踪。然而，golang与C语言相比，又有微妙的不同之处，这里用go 1.19 + x86环境为例子：

1. Golang ABI与C语言相比，C语言函数只使用寄存器传递参数。然而golang不确定使用寄存器还是使用栈来传递函数参数(要么用寄存器，要么用栈传递，不会混合)，编译器有相关算法来决定，具体算法规则可以参考golang源码的src/cmd/compile/internal-abi.md文档。golang函数传递参数的方式的不同，