聊聊对 BPF 程序至关重要的 vmlinux.h文件

1.1 前言

eBPF 是一项令人兴奋的强大技术，其允许开发者在 Linux 内核的核心处添加自定义代码功能，并且我们还可以通过编写简单的 C 或 Go 程序与加载到内核中的 eBPF 程序交互，用于加载或读取数据。运行在内核中的 BPF 程序可以检查所附加进程（或内核模块）的内存数据。为此，eBPF 程序需要确切了解处理涉及的数据结构类型，这可以通过  #include "vmlinux.h" 实现。在本中，我将详细介绍 vmlinux.h 是什么以及为什么你在编写 eBPF 程序开始就应该使用它。

1.2 vmlinux.h 概述

确切说，vmlinux.h 是使用工具生成的代码文件。它包含了系统运行 Linux 内核源代码中使用的所有类型定义。当我们编译 Linux 内核时，会输出一个称作 vmlinux  的文件组件，其是一个 ELF^[1] 的二进制文件，包含了编译好的可启动内核。vmlinux  文件通常也会被打包在主要的 Linux 发行版中。

内核中的 bpftool 工具其中功能之一就是读取 vmlinux 文件并生成对应的 vmlinux.h 头文件。vmlinux.h  会包含运行内核中所使用的每一个类型定义，因此该文件的比较大。

生成 vmlinux.h  文件的命令如下：

$ bpftool btf dump file /sys/kernel/btf/vmlinux format c > vmlinux.h

包含该 vmlinux.h，就意味着我们的程序可以使用内核中使用的所有数据类型定义，因此 BPF 程序在读取相关的内存时，就可以映射成对应的类型结构按照字段进行读取。

例如，Linux 中的 task_struct^[2] 结构用于表示进程，如果 BPF 程序需要检查 task_struct 结构的值，那么首先就需要知道该结构的具体类型定义。

vmlinux.h diagram

1.3 CORE 一处编译，到处运行

由于 vmlinux.h 文件是由当前运行内核生成的，如果你试图将编译好的 eBPF 程序在另一台运行不同内核版本的机器上运行，可能会面临崩溃的窘境。这主要是因为在不同的版本中，对应数据类型的定义可能会在 Linux 源代码中发生变化。

但是，通过使用 libbpf 库提供的功能可以实现 "CO:RE"（一次编译，到处运行）。libbpf 库定义了部分宏（比如 BPF_CORE_READ），其可分析 eBPF 程序试图访问 vmlinux.h 中定义的类型中的哪些字段。如果访问的字段在当前内核定义的结构中发生了移动，宏 / 辅助函数会协助自动找到对应字段【译者注：对于可能消失的字段，也提供了对应的辅助函数 bpf_core_field_exists】。因此，我们可以使用当前内核中生成的 vmlinux.h 头文件来编译 eBPF 程序，然后在不同的内核上运行它【译者注：需要运行的内核也支持 BTF 内核编译选项】。

1.4 总结

通过生成包含所有 Linux 内核类型的 vmlinux. h 头文件，我们可以在编写 eBPF 程序时对内核类型相关的头文件依赖。在下一篇文章中，我将使用 vmlinux.h 的便利性、libpf 的灵活性和 Go 的安全性来编写 eBPF 程序，-- 敬请期待！【译者注：下一篇参见这里^[3]】

该文章首次出现在 Grant Seltzer 的博客^[4]上。

原文地址：https://blog.aquasec.com/vmlinux.h-ebpf-programs

作者：Grant Seltzer

时间：2021 年 4 月 30 号

参考资料

[1]

ELF: https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format

[2]

task_struct: https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/include/linux/sched.h#L649

[3]

这里: https://www.grant.pizza/blog/libbpf-beginners-part-one/

[4]

博客: https://www.grant.pizza/blog/vmlinux-header/