［授权发表］源码分析：动态分析 Linux 内核函数调用关系

By Falcon of TinyLab.org
2015/04/18

最初发表：泰晓科技 – 聚焦嵌入式 Linux，追本溯源，见微知著！
原文链接：源码分析：动态分析 Linux 内核函数调用关系
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缘由

源码分析是程序员离不开的话题。

无论是研究开源项目，还是平时做各类移植、开发，都避免不了对源码的深入解读。

工欲善其事，必先利其器。

前两篇介绍了静态分析和应用程序部分的动态分析。这里开始讨论如何动态分析 Linux 内核部分。

准备工作

Ftrace

类似于用户态的 gprof，在跟踪内核函数之前，需要对内核做额外的一些配置，在内核相关函数插入一些代码，以便获取必要信息，比如调用时间，调用次数，父函数等。

早期的内核函数跟踪支持有 KFT，它基于 -finstrument-functions，在每个函数的出口、入口插入特定调用以便截获上面提到的各类信息。早期笔者就曾经维护过 KFT，并且成功移植到了 Loongson/MIPS 平台，相关邮件记录见：kernel function tracing support for linux-mips。不过 Linux 官方社区最终采用的却是 Ftrace，为什么呢？虽然是类似的思路，但是 Ftrace 有重大的创新：

• Ftrace 只需要在函数入口插入一个外部调用：mcount，而 KFT 在入口和出口都要加
• Ftrace 巧妙的拦截了函数返回的地址，从而可以在运行时先跳到一个事先准备好的统一出口，记录各类信息，然后再返回原来的地址
• Ftrace 在链接完成以后，把所有插入点地址都记录到一张表中，然后默认把所有插入点都替换成为空指令（nop），因此默认情况下 Ftrace 的开销几乎是 0
• Ftrace 可以在运行时根据需要通过 Sysfs 接口使能和使用，即使在没有第三方工具的情况下也可以方便使用

所以，本文只介绍 Ftrace，关于其详细用法，推荐看 Ftrace 作者 Steven 在 LWN 写的序列文章，例如：

• Debugging the kernel using Ftrace: 1, 2
• Secrets of the Ftrace function tracer
• trace-cmd: A front-end for Ftrace

对于本文要介绍的内容，大家只要使能 Ftrace 内核配置就可以，我们不会直接使用它的底层接口：

CONFIG_FUNCTION_TRACER
CONFIG_DYNAMIC_FTRACE
CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER 

除此之外，还需要把内核函数的符号表编译进去：

CONFIG_KALLSYMS=y
CONFIG_KALLSYMS_ALL=y

如果要直接使用 Ftrace 的话，可以安装下述工具，不过本文不做进一步介绍：

$ sudo apt-get install trace-cmd kernelshark pytimerchart

Perf

Perf 最早是为取代 Oprofile 而生，从 2009 年开始只是增加了一个新的系统调用，如今强大到几乎把 Oprofile 逼退历史舞台。因为它不仅支持硬件性能计数器，还支持各种软件计数器，为 Linux 世界提供了一套完美的性能 Profiling 工具，当然，内核底层部分的函数 Pro