Linux TraceEvent - 我见过的史上最长宏定义

已于 2025-07-06 11:31:04 修改
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文章标签： linux 运维 服务器
于 2025-07-01 13:20:07 首次发布
原文链接：https://cloud.tencent.com/developer/article/1650317

TraceEvent是内核中一种探测的机制，据说在不使能的时候是没有损耗的。据说使用起来挺简单，但是要看懂着实需要花些力气。

例子

从例子中学习，一般都是比较好的方法。内核开发者也比较nice，在内核源码samples/trace_events目录下就有这么一个例子。

其中文件一共有三个：

这个例子以内核模块的形式存在，所以只要执行make就可以编译完成。

总的来说，要定义和使用tracepoint，只要做两点。

  • 用TRACE_EVENT来定义一个新的tracepoint
  • 在需要的地方，使用函数trace_XXX打印输出

有了例子我们就要跑一跑，来看看如何使用的。

首先我们要编译出我们的例子，这时候需要加上打开两个编译配置

  • CONFIG_SAMPLES
  • CONFIGSAMPLETRACE_EVENTS

编译

make M=samples/trace_events

然后加载这个例子模块

modprobe trace-events-sample

因为用户接口在debugfs上，所以还要确保debugfs挂载了。

mount -t debugfs none /sys/kernel/debug/

此时我们就能在 /sys/kernel/debug/tracing/events/sample-trace/ 目录下看到该模块创建好的trace event了。

接下来，我们就可以打开这个探测时间，并且查看探测的输出了。

cd /sys/kernel/debug/tracing echo 1 > events/sample-trace/enable cat trace echo 0 > events/sample-trace/enable 

通过cat trace观察，可以看出系统运行时的一些状态。

让我们进一步再来看看events/sample-trace这个目录：

可以看到

  • 目录名称sample-trace由TRACE_SYSTEM这个宏定义，所以通过查找这个宏，就能知道有多少events的大类
  • 每一个TRACE_EVENT都有一个自己的目录

源文件中trace_XXX的函数就是执行探测记录的地方了。那么这些函数是怎么定义的呢？

TRACE_EVENT定义

看完了例子，我们就该看代码实现了。讲真，这是我见过的最长的宏展开了。之前在qemu上看到的那个hmp-command和这个比起来简直就是个小屁孩。

先来看一下例子中是如何定义一个trace event的。和其他定义不同，定义trace event的定义在头文件，而非源文件。我把trace-events-sample.h文件做一个简要的打开。

中间我省略了很多TRACEEVENT及其变体，每一个TRACEEVENT对应了一个trace point。

可以看到，一个trace event的定义需要涉及到起码两个头文件。

史上最长宏定义

你以为就这么简单吗？当然不是，作为有多年阅读c语言代码的老司机，看到真正的定义，我都差点没有吐出来。。。

好了，不扯淡了。怎么能很好的解释这个宏展开的过程呢？还是用一张图吧。倒吸一口气，准备一次无尽的代码阅读。具体展开过程可以看后面转载者的补充。

终于完了，也不知道有没有漏掉什么。。。大家如果真的想要看实际代码中展开后的代码，可以运行

make samples/trace_events/trace-events-sample.i

生成的文件是经过预处理后得到的源代码。不过相信我，你可能不太会愿意去看这个（捂脸）

回过头来再看这展开，让我们来总结一下这个过程：

  • 一共包含了两个头文件：linux/tracepoint.h 和 trace/define_trace.h
  • 在trace/definetrace.h中，反复定义了TRACEEVENT且再次包含samples/trace_events/trace-events-sample.h，实现了一个宏定义多次展开的效果

究竟定义了什么？

哪怕有了上面这个图，我想大部分人也是不会去看的。或者说，看了可能也不知道这些宏展开究竟定义了些什么？

帮人帮到底，送佛送到西

既然都帮大家做了宏展开，那我就干脆再用一张图展示一下这么多宏定义究竟定义了些什么。

经过了一番云里雾里的宏展开，实际上就是(主要)定义出了这么一个数据结构 -- traceeventcall。而且这个数据结构关联了几个重要的小伙伴

  • tracepoint
  • trace_event_class
  • trace_event

后续，我们将逐渐看到在初始化和使能的过程中，这些数据结构之间的爱恨情仇。

注册trace_event

有了数据结构，想要使用这个功能，我们能想到的第一步就是要把相关的数据结构注册到某个地方，这样下次才能够被使用到是不是？

这个秘密隐藏在了刚才宏展开的最后一次展开中，大家可以回过去搜“section("ftraceevents") &event##name;”。有内核代码经验的朋友可能已经猜到了，这个意思是我们把一部分的内容强制保存在了一个名为ftraceevents的section中。这些是什么呢？对了就是traceevent_call结构体的指针们。

有了这个信息，我们再来看链接文件的定义：

我们看到ftraceevents这个section被包含在_startftrace_events之间。那就沿着这条线继续。

看到了么？我们依次从_start|stopftraceevents之间拿出每一个内容，再执行eventinit()。而这个类型正好是traceeventcall，和刚才的定义吻合上。

但是eventinit()里面又调用了什么call->class->rawinit(call)，这是什么个鬼？别急，这个我已经给你写好了。请跳回到刚才解释traceeventcall的图上找找，这个rawinit函数就是traceeventrawinit。最后这个通过registertraceevent将traceeventcall.event注册到系统中，而这个event的类型是trace_event。

怎么样，是不是够刺激的？

最后我们再来展示一下trace_event注册到系统中后的样子吧。

trace_event结构会在两个地方注册：

  • ftraceeventlist：这个链表用来遍历事件的号码
  • event_hash[128]: 这个哈希表用来查找

有没有看到其中funcs的成员第一个是之前定义的 tracerawoutput_##name？我猜这个就是最后输出到trace文件的代码，你觉得呢？

好了，数据结构注册完了，接下来是什么呢？

注册traceeventcall

在上一节中，我们看到了内核通过编译链接的方法找到了traceeventcall，并且将其中的traceevent注册到了系统中，现在我们来看看traceevent_call是如何注册到系统中的。

这个过程就在event_init()函数下面一点。一共有两个步骤：

  • 添加到ftrace_events链表
  • 添加到trace_array的events

第一步就在刚才的代码片段中listadd(&call->list, &ftraceevents)，而第二步则是通过函数_traceearlyaddevents()。

__trace_early_add_events()
    list_for_each(call, &ftrace_events, list)
    __trace_early_add_new_event(call, tr)

经过这次注册，将traceeventcall和trace_array连接了起来：

创建tracefs

在使用trace工具的时候，会通过tracefs往某些文件里读写来控制ftrace。trace_event也不例外，所以我们要先来看一下tracefs的构建，为后续的代码阅读做好准备。

说起来这个过程有点绕，因为创建tracefs的地方和刚才那些注册函数不在一个地方（系统启动时）。

具体细节可以看源代码，这里解释两点：

  • createeventtoplevel_files 创建了和trace event相关的根目录的一些文件
  • eventcreatedir则是会对每一个tracearray->events上的traceevent_file调用，创建每个event的目录

而这个tracearray->events则是由, 刚才看到的函数traceearlyaddnew_event()添加的。

初始化过程的梳理

到这里估计你已经晕了，没事我自己写得也晕了。让我们来梳理一下整个初始化过程，明确一下这个注册和tracefs的创建顺序。

  • (1) 从特定的section中拿到traceeventcall数据结构，并注册了trace_event
  • (2) 将traceeventcall添加到了ftrace_events链表
  • (3) 将每一个traceeventcall以traceeventfile的形式添加到trace_array.events
  • (4) 为每一个trace_array.events创建自己的tracefs

废了这么大力气我们都做了什么呢？

关联了tracefs和traceeventfile，也就是我嗯定义的traceeventcall。

所以，每当我们操作一个tracefs文件的时候，后面就对应这相应的traceeventfile和traceeventcall了。

OK, 我们已经为tracefs的操作做好了准备，让我们来看看打开trace event选项时的动作吧。

打开事件

在查看trace文件中的事件记录前，我们需要使能这个事件。

echo 1 > events/sample-trace/enable

所以有个开关来控制事件。而当我们写这个文件的时候，触发到的内核函数就是刚才我们注册tracefs对应的ops中的eventenablewrite。

绕晕了，其实呢就是通过某种方式设置了tracepoint结构体中的funcs成员。刚才我们在traceeventcall结构体中已经看到了tracepoint结构，这次该好好看一眼了。

主角终于登场了，经过这么一顿骚操作后，我们将之前定义好的 traceeventrawevent##name挂到了tracepoint的funcs列表中。当然我还省去了重要的一步--设置key。

输出事件

终于到了最后了。之前说的都是定义和初始化，终于要看到调用的情况了。在例子中我们看到，当我们需要输出一个事件时，就会调用trace_XXX()。这次该轮到它出场了。

先来看看trace_XXX这个函数的定义，它也藏在了我们刚才宏定义的展开中，这次我们仔细看一眼

每次我们调用traceXXX()函数的时候，先检查key是否使能了，如果使能了才继续往下走。接着我们再打开DOTRACE来看看。

联系上上一小节的tracepoint结构体是不是能想到啥？对了，就是遍历tracepoint->funcs数组，然后调用它们。

好了，终于完整的看完了TRACE_EVENT的定义和使用流程。小编累了，大家也累了，今天就到这里吧。

转载者补充

linux-5.1\samples\trace_events\trace-events-sample.c代码如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kthread.h>

/*
 * Any file that uses trace points, must include the header.
 * But only one file, must include the header by defining
 * CREATE_TRACE_POINTS first.  This will make the C code that
 * creates the handles for the trace points.
 */
#define CREATE_TRACE_POINTS
#include "trace-events-sample.h"

......

该文件定义了CREATE_TRACE_POINTS，且包含了头文件trace-events-sample.h。 

linux-5.1\samples\trace_events\trace-events-sample.h代码如下：

#if !defined(_TRACE_EVENT_SAMPLE_H) || defined(TRACE_HEADER_MULTI_READ)
#define _TRACE_EVENT_SAMPLE_H


#include <linux/tracepoint.h>

......

TRACE_EVENT(foo_bar,

	TP_PROTO(const char *foo, int bar, const int *lst,
		 const char *string, const struct cpumask *mask),

	TP_ARGS(foo, bar, lst, string, mask),

......
#endif

#undef TRACE_INCLUDE_PATH
#undef TRACE_INCLUDE_FILE
#define TRACE_INCLUDE_PATH .


#define TRACE_INCLUDE_FILE trace-events-sample
#include <trace/define_trace.h>

该头文件包含tracepoint.h，linux-5.1\include\linux\tracepoint.h代码如下：

......

#ifndef TRACE_EVENT

......

#define TRACE_EVENT(name, proto, args, struct, assign, print)	\
	DECLARE_TRACE(name, PARAMS(proto), PARAMS(args))

......
#endif /* ifdef TRACE_EVENT (see note above) */

头文件trace-events-sample.h包含tracepoint.h后，tracepoint.h中有TRACE_EVENT的宏定义，故trace-events-sample.h中的宏TRACE_EVENT展开为tracepoint.h中的宏定义。随后文件trace-events-sample.h包含头文件define_trace.h，该文件代码如下：

#ifdef CREATE_TRACE_POINTS

/* Prevent recursion */
#undef CREATE_TRACE_POINTS

......


#undef TRACE_EVENT
#define TRACE_EVENT(name, proto, args, tstruct, assign, print)	\
	DEFINE_TRACE(name)

/* Let the trace headers be reread */
#define TRACE_HEADER_MULTI_READ

#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)

......

#ifdef TRACEPOINTS_ENABLED
#include <trace/trace_events.h>
#include <trace/perf.h>
#include <trace/bpf_probe.h>
#endif

......


/* We may be processing more files */
#define CREATE_TRACE_POINTS

#endif /* CREATE_TRACE_POINTS */

因为文件trace-events-sample.c中定义了CREATE_TRACE_POINTS，所以该头文件内容会被包含。该头文件#undef CREATE_TRACE_POINTS，避免后面包含代码#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)包含trace-events-sample.h时重复包含头文件define_trace.h的内容。

随后#undef TRACE_EVENT，并重新定义了TRACE_EVENT。

代码#define TRACE_HEADER_MULTI_READ是为了随后可以重复包含头文件trace-events-sample.h。因为头文件trace-events-sample.h只要满足#if !defined(_TRACE_EVENT_SAMPLE_H) || defined(TRACE_HEADER_MULTI_READ)就可以重复包含。

随后代码#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)包含了头文件TRACE_INCLUDE_FILE，而该宏在头文件trace-events-sample.h中被定义为trace-events-sample，所以又包含了头文件trace-events-sample.h，所以trace-events-sample.h中的宏TRACE_EVENT(foo_bar,.....)又被展开，只是这次用的是define_trace.h中定义的宏。

随后包含头文件trace/trace_events.h，该头文件代码如下：

#include <linux/trace_events.h>
......


#undef TRACE_EVENT
#define TRACE_EVENT(name, proto, args, tstruct, assign, print) \
	DECLARE_EVENT_CLASS(name,			       \
			     PARAMS(proto),		       \
			     PARAMS(args),		       \
			     PARAMS(tstruct),		       \
			     PARAMS(assign),		       \
			     PARAMS(print));		       \
	DEFINE_EVENT(name, name, PARAMS(proto), PARAMS(args));

......

#undef DECLARE_EVENT_CLASS
#define DECLARE_EVENT_CLASS(name, proto, args, tstruct, assign, print)	\
	struct trace_event_raw_##name {					\
		struct trace_entry	ent;				\
		tstruct							\
		char			__data[0];			\
	};								\
									\
	static struct trace_event_class event_class_##name;

......
#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)

......
#undef DECLARE_EVENT_CLASS
#define DECLARE_EVENT_CLASS(call, proto, args, tstruct, assign, print)	\
	struct trace_event_data_offsets_##call {			\
		tstruct;						\
	};

......
#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)

......
#undef DECLARE_EVENT_CLASS
#define DECLARE_EVENT_CLASS(call, proto, args, tstruct, assign, print)	\
static notrace enum print_line_t					\
trace_raw_output_##call(struct trace_iterator *iter, int flags,		\
			struct trace_event *trace_event)		\
{									\
	struct trace_seq *s = &iter->seq;				\
.......

#include TRACE_INCLUDE(TRACE_INCLUDE_FILE)

......

该头文件#undef TRACE_EVENT，然后重新定义TRACE_EVENT为DECLARE_EVENT_CLASS，随后#undef DECLARE_EVENT_CLASS，并重新定义宏DECLARE_EVENT_CLASS，再包含头文件trace-events-sample.h，然后用新定义的TRACE_EVENT和DECLARE_EVENT_CLASS展开trace-events-sample.h中的宏TRACE_EVENT(foo_bar,.....)。

后面多次重复#undef DECLARE_EVENT_CLASS并重新定义宏DECLARE_EVENT_CLASS，再包含头文件trace-events-sample.h，然后用新定义的TRACE_EVENT和DECLARE_EVENT_CLASS展开trace-events-sample.h中的宏TRACE_EVENT(foo_bar,.....)。

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