ftrace原理分析

原创于 2025-07-18 19:36:47 发布 · 712 阅读

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ftrace

ftrace 是 Linux 内核中功能最强大且最灵活的内核级跟踪工具之一，用于分析函数调用、性能瓶颈、调度延迟、中断处理等问题。下面我们从原理角度对 ftrace 进行全面分析。

ftrace 简介

ftrace 是 Linux 内核从 2.6.27 开始引入的功能。
它可以在运行时动态追踪内核函数调用路径、分析时延、检查中断处理情况。
和 perf 不同，它是内核原生集成的跟踪框架。

核心组件与原理

核心模块结构

kernel/trace/
├── trace.c             <- 核心框架
├── trace_output.c      <- 跟踪日志输出格式
├── trace_functions.c   <- function tracer
├── trace_irqsoff.c     <- irqsoff tracer
├── trace_sched_wakeup.c<- sched tracer
└── ftrace.c            <- 与 arch 无关的主要实现

跟踪机制原理

ftrace 的核心是函数入口处打桩（patching），它依赖如下两种技术：

(1) 动态函数打桩（Function Tracing）

原理：
- Linux 编译时使用 -pg 参数（即 CONFIG_FUNCTION_TRACER=y）来在每个函数开头插入调用 mcount() 的指令。
- 编译后的二进制中，所有函数头部都会有类似如下代码（以 x86 为例）：
```
call mcount
```
启用 ftrace 后，内核会将这些 mcount 替换为跳转到 tracer 的钩子函数，如：

call ftrace_caller

这就允许内核在每次函数调用时调用我们自定义的钩子。

(2) 动态修改代码（code patching）

在运行时将 call mcount 替换为 nop（禁用 tracing）或替换为跳转到 tracer。
使用 ftrace_make_nop() 和 ftrace_make_call() 进行 patch。
在安全性上，通过 stop_machine() 来暂停所有 CPU 后 patch，避免并发问题。

ftrace 关键函数

函数名	作用
`ftrace_regs_caller`	统一的调用接口，用于保存上下文
`ftrace_ops`	跟踪回调结构体，每个 tracer 注册一个
`register_ftrace_function()`	注册一个 `ftrace_ops`
`ftrace_update_ftrace_func()`	更新 hook 的函数入口

常用 Tracer 类型及其实现

function tracer

打印所有函数的调用路径。
配合 filter 使用可指定跟踪哪些函数。
实现位于 kernel/trace/trace_functions.c

function_graph tracer

显示函数调用图（带层次结构与返回时间）。
利用 return trampoline 技术实现记录函数返回点。
利用 prepare_ftrace_return() 修改返回地址为 return_to_handler()。

irqsoff / preemptoff tracer

检测某些代码段关闭中断（irq）或禁止抢占（preempt）持续时间是否过长。
用于定位实时性问题。
实现位于 kernel/trace/trace_irqsoff.c

sched tracer

跟踪调度器行为，如上下文切换、唤醒延迟。
对实时分析尤其重要。

调试接口与使用方法

ftrace 的运行时接口全部暴露在：

/sys/kernel/debug/tracing/

常用文件说明

文件名	功能
`current_tracer`	设置当前 tracer 类型
`available_tracers`	查看支持的 tracer
`trace`	当前的 trace 结果
`set_ftrace_filter`	指定需要 hook 的函数
`set_ftrace_notrace`	指定不要跟踪的函数

使用示例：

# 启用 function tracer
echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer

# 仅跟踪 do_sys_open
echo do_sys_open > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter

# 查看 trace
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

性能优化与开销控制

默认不启用 ftrace，不影响系统性能。
nop tracer 等于关闭状态，几乎没有开销。
启用 function_graph 时会对每次函数调用和返回都产生额外开销。

开销控制手段：

只启用必要函数过滤：set_ftrace_filter
使用静态追踪点（tracepoints）替代通用 tracer
使用 event tracing 精细控制要观察的内核事件

与其他 tracing 技术对比

技术	优点	缺点
ftrace	原生、效率高、无用户空间依赖	功能较底层
perf	用户态工具丰富、统计强大	比 ftrace 稍慢
eBPF	可动态加载程序、灵活性高	写法复杂、需要新内核
kprobe	动态追踪任意内核符号	稍慢，开销略大