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BPF之巅：洞悉Linux系统和应用性能

作译者：孙宇聪等

出版时间：2020-11 千字数：1139 版次：01-01 页数：856

开本：16开装帧： I S B N ：9787121399725

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第1章　引　言.................................................................................................................1
1.1　BPF和eBPF是什么 .............................................................................................. 1
1.2　跟踪、嗅探、采样、剖析和可观测性分别是什么 .......................................... 2
1.3　BCC、bpftrace和IO Visor ................................................................................... 3
1.4　初识BCC：快速上手 .......................................................................................... 4
1.5　BPF跟踪的能见度 ............................................................................................... 7
1.6　动态插桩：kprobes和uprobes ............................................................................ 8
1.7　静态插桩：tracepoint和USDT ........................................................................... 9
1.8　初识bpftrace：跟踪open() ................................................................................ 10
1.9　再回到BCC：跟踪open() ................................................................................. 13
1.10　小结 .................................................................................................................. 15
第2章　技术背景...........................................................................................................16
2.1　图释BPF ............................................................................................................. 16
2.2　BPF ..................................................................................................................... 17
2.3　扩展版BPF ......................................................................................................... 18
2.3.1　为什么性能工具需要 BPF 技术 ......................................................... 21
2.3.2　BPF 与内核模块的对比 ......................................................................23
2.3.3　编写 BPF 程序 .....................................................................................23
2.3.4　使用 BPF 查看指令集 ：bpftool ..........................................................24
2.3.5　使用 bpftrace 查看 BPF 指令集 .......................................................... 32
2.3.6　BPF API ................................................................................................ 33
2.3.7　BPF 并发控制 ......................................................................................37
2.3.8　BPF sysfs 接口 ..................................................................................... 38
2.3.9　BPF 类型格式 ......................................................................................38
2.3.10　BPF CO-RE ........................................................................................ 39
2.3.11　BPF 的局限性 ..................................................................................... 40
2.3.12　BPF 扩展阅读资料 ............................................................................40
2.4　调用栈回溯 ........................................................................................................ 41
2.4.1　基于帧指针的调用栈回溯 ................................................................... 41
2.4.2　调试信息 ............................................................................................... 42
2.4.3　最后分支记录 ....................................................................................... 43
2.4.4　ORC ...................................................................................................... 43
2.4.5　符号 ....................................................................................................... 43
2.4.6　扩展阅读 ............................................................................................... 43
2.5　火焰图 ................................................................................................................ 44
2.5.1　调用栈信息 ........................................................................................... 44
2.5.2　对调用栈信息的剖析 ........................................................................... 44
2.5.3　火焰图 ................................................................................................... 45
2.5.4　火焰图的特性 ....................................................................................... 47
2.5.5　火焰图的变体 ....................................................................................... 48
2.6　事件源 ................................................................................................................ 48
2.7　kprobes ............................................................................................................... 49
2.7.1　kprobes 是如何工作的 ......................................................................... 49
2.7.2　kprobes 接口 ......................................................................................... 51
2.7.3　BPF 和 kprobes .....................................................................................51
2.7.4　关于 kprobes 的更多内容 .................................................................... 53
2.8　uprobes ............................................................................................................... 53
2.8.1　uprobes 是如何工作的 ......................................................................... 53
2.8.2　uprobes 接口 ......................................................................................... 55
2.8.3　BPF 与 uprobes .....................................................................................55
2.8.4　uprobes 的开销和未来的工作 ............................................................. 56
2.8.5　扩展阅读 ............................................................................................... 57
2.9　跟踪点 ................................................................................................................ 57
2.9.1　如何添加跟踪点 ................................................................................... 58
2.9.2　跟踪点的工作原理 ............................................................................... 59
2.9.3　跟踪点的接口 ....................................................................................... 60
2.9.4　跟踪点和 BPF ...................................................................................... 61
2.9.5　BPF 原始跟踪点 ..................................................................................62
2.9.6　扩展阅读 ............................................................................................... 62
2.10　USDT ............................................................................................................... 62
2.10.1　添加 USDT 探针 ................................................................................ 63
2.10.2　USDT 是如何工作的 ......................................................................... 65
2.10.3　BPF 与 USDT ..................................................................................... 66
2.10.4　USDT 的更多信息 ............................................................................. 66
2.11　动态USDT ........................................................................................................ 66
2.12　性能监控计数器 .............................................................................................. 68
2.12.1　PMC 的模式 .......................................................................................68
2.12.2　PEBS ................................................................................................... 69
2.12.3　云计算 ................................................................................................. 69
2.13　perf_events ....................................................................................................... 69
2.14　小结 .................................................................................................................. 70
第3章　性能分析...........................................................................................................71
3.1　概览 .................................................................................................................... 71
3.1.1　目标 ....................................................................................................... 71
3.1.2　分析工作 ............................................................................................... 72
3.1.3　多重性能问题 ....................................................................................... 73
3.2　性能分析方法论 ................................................................................................ 73
3.2.1　业务负载画像 ....................................................................................... 74
3.2.2　下钻分析 ............................................................................................... 75
3.2.3　USE 方法论 .......................................................................................... 76
3.2.4　检查清单法 ........................................................................................... 77
3.3　Linux 60秒分析 ................................................................................................. 77
3.3.1　uptime ................................................................................................... 77
3.3.2　dmesg | tail ............................................................................................ 78
3.3.3　vmstat 1 ................................................................................................. 78
3.3.4　mpstat -P ALL 1 ....................................................................................79
3.3.5　pidstat 1 ................................................................................................. 80
3.3.6　iostat -xz 1 ............................................................................................. 80
3.3.7　free -m ................................................................................................... 82
3.3.8　sar -n DEV 1 .........................................................................................82
3.3.9　sar -n TCP,ETCP 1 ................................................................................ 83
3.3.10　top ....................................................................................................... 83
3.4　BCC工具检查清单 ............................................................................................ 84
3.4.1　execsnoop .............................................................................................. 84
3.4.2　opensnoop ............................................................................................. 85
3.4.3　ext4slower ............................................................................................. 85
3.4.4　biolatency .............................................................................................. 86
3.4.5　biosnoop ................................................................................................ 86
3.4.6　cachestat ................................................................................................ 87
3.4.7　tcpconnect .............................................................................................87
3.4.8　tcpaccept ............................................................................................... 87
3.4.9　tcpretrans ............................................................................................... 88
3.4.10　runqlat ................................................................................................. 88
3.4.11　profile .................................................................................................. 89
3.5　小结 .................................................................................................................... 90
第4章　BCC..................................................................................................................91
4.1　BCC的组件 ........................................................................................................ 92
4.2　BCC的特性 ........................................................................................................ 92
4.2.1　BCC 的内核态特性 .............................................................................. 92
4.2.2　BCC 的用户态特性 .............................................................................. 93
4.3　安装BCC ............................................................................................................ 94
4.3.1　内核要求 ............................................................................................... 94
4.3.2　Ubuntu ................................................................................................... 94
4.3.3　RHEL .................................................................................................... 95
4.3.4　其他发行版 ........................................................................................... 95
4.4　BCC的工具 ........................................................................................................ 96
4.4.1　重点工具 ............................................................................................... 96
4.4.2　工具的特点 ........................................................................................... 97
4.4.3　单一用途工具 ....................................................................................... 98
4.4.4　多用途工具 ........................................................................................... 99
4.5　funccount .......................................................................................................... 100
4.5.1　funccount 的示例 ................................................................................ 101
4.5.2　funccount 的语法 ................................................................................ 103
4.5.3　funccount 的单行程序 ........................................................................ 103
4.5.4　funccount 的帮助信息 ........................................................................ 104
4.6　stackcount ......................................................................................................... 105
4.6.1　stackcount 的示例 .............................................................................. 105
4.6.2　stackcount 的火焰图 .......................................................................... 107
4.6.3　stackcount 残缺的调用栈 .................................................................. 108
4.6.4　stackcount 的语法 .............................................................................. 108
4.6.5　stackcount 的单行程序 ...................................................................... 109
4.6.6　stackcount 的帮助信息 ...................................................................... 109
4.7　trace .................................................................................................................. 110
4.7.1　trace 的示例 .........................................................................................111
4.7.2　trace 的语法 .........................................................................................111
4.7.3　trace 的单行程序 ................................................................................ 113
4.7.4　trace 的结构体 .................................................................................... 113
4.7.5　trace 调试文件描述符泄露问题 ........................................................ 114
4.7.6　trace 的帮助信息 ................................................................................ 115
4.8　argdist ............................................................................................................... 117
4.8.1　argdist 的语法 ..................................................................................... 118
4.8.2　argdist 的单行程序 ............................................................................. 119
4.8.3　argdist 的帮助信息 ............................................................................. 119
4.9　工具文档 .......................................................................................................... 121
4.9.1　man 帮助文档 ：opensnoop ............................................................... 121
4.9.2　示例文件 ：opensnoop ....................................................................... 125
4.10　开发BCC工具 ................................................................................................ 126
4.11　BCC的内部实现 ............................................................................................ 127
4.12　BCC的调试 .................................................................................................... 128
4.12.1　printf() 调试 ...................................................................................... 129
4.12.2　BCC 调试输出 ..................................................................................131
4.12.3　BCC 的调试标志位 .......................................................................... 132
4.12.4　bpflist ................................................................................................. 133
4.12.5　bpftool ............................................................................................... 134
4.12.6　dmesg ................................................................................................ 134
4.12.7　重置事件 ........................................................................................... 134
4.13　小结 ................................................................................................................ 136
第5章　bpftrace...........................................................................................................137
5.1　bpftrace的组件 ................................................................................................. 138
5.2　bpftrace的特性 ................................................................................................. 139
5.2.1　bpftrace 的事件源 .............................................................................. 139
5.2.2　bpftrace 的动作 .................................................................................. 139
5.2.3　bpftrace 的一般特性 .......................................................................... 140
5.2.4　bpftrace 与其他观测工具的比较 ...................................................... 140
5.3　bpftrace的安装 ................................................................................................. 141
5.3.1　内核版本要求 ..................................................................................... 141
5.3.2　Ubuntu ................................................................................................. 142
5.3.3　Fedora ................................................................................................. 142
5.3.4　构建后的安装步骤 ............................................................................. 143
5.3.5　其他发行版 ......................................................................................... 143
5.4　bpftrace工具 ..................................................................................................... 143
5.4.1　重点工具 ............................................................................................. 144
5.4.2　工具特征 ............................................................................................. 144
5.4.3　工具的运行 ......................................................................................... 145
5.5　bpftrace单行程序 ............................................................................................. 145
5.6　bpftrace的文档 ................................................................................................. 146
5.7　bpftrace编程 ..................................................................................................... 146
5.7.1　用法 ..................................................................................................... 147
5.7.2　程序结构 ............................................................................................. 148
5.7.3　注释 ..................................................................................................... 148
5.7.4　探针格式 ............................................................................................. 149
5.7.5　探针通配符 ......................................................................................... 149
5.7.6　过滤器 ................................................................................................. 150
5.7.7　动作 ..................................................................................................... 150
5.7.8　Hello, World! .......................................................................................151
5.7.9　函数 ..................................................................................................... 151
5.7.10　变量 ................................................................................................... 152
5.7.11　映射表函数 ....................................................................................... 153
5.7.12　对 vfs_read() 计时 ............................................................................ 154
5.8　bpftrace的帮助信息 ......................................................................................... 155
5.9　bpftrace的探针类型 ......................................................................................... 157
5.9.1　tracepoint ............................................................................................. 157
5.9.2　usdt ...................................................................................................... 159
5.9.3　kprobe 和 kretprobe ............................................................................160
5.9.4　uprobe 和 uretprobe ............................................................................ 160
5.9.5　software 和 hardware ..........................................................................161
5.9.6　profile 和 interval ................................................................................ 162
5.10　bpftrace的控制流 ........................................................................................... 163
5.10.1　过滤器 ............................................................................................... 163
5.10.2　三元操作符 ....................................................................................... 163
5.10.3　if 语句 ............................................................................................... 163
5.10.4　循环展开 ........................................................................................... 164
5.11　bpftrace的运算符 ........................................................................................... 164
5.12　bpftrace的变量 ............................................................................................... 165
5.12.1　内置变量 ........................................................................................... 165
5.12.2　内置变量 ：pid、comm 和 uid ........................................................166
5.12.3　内置变量 ：kstack 和 ustack ............................................................166
5.12.4　内置变量 ：位置参数 ....................................................................... 168
5.12.5　临时变量 ........................................................................................... 169
5.12.6　映射表变量 ....................................................................................... 169
5.13　bpftrace的函数 ............................................................................................... 170
5.13.1　printf() ............................................................................................... 171
5.13.2　join() .................................................................................................. 172
5.13.3　str() .................................................................................................... 173
5.13.4　kstack() 和 ustack() ........................................................................... 173
5.13.5　ksym() 和 usym() .............................................................................. 174
5.13.6　kaddr() 和 uaddr() .............................................................................175
5.13.7　system() ............................................................................................. 176
5.13.8　exit() .................................................................................................. 176
5.14　bpftrace映射表的操作函数 ........................................................................... 177
5.14.1　count() ............................................................................................... 177
5.14.2　sum()、avg()、min() 和 max() ........................................................178
5.14.3　hist() .................................................................................................. 179
5.14.4　lhist() ................................................................................................. 180
5.14.5　delete() .............................................................................................. 181
5.14.6　clear() 和 zero() .................................................................................181
5.14.7　print() ................................................................................................ 182
5.15　bpftrace的下一步工作 ................................................................................... 183
5.15.1　显式区分地址模式 ........................................................................... 183
5.15.2　其他扩展 ........................................................................................... 184
5.15.3　ply ..................................................................................................... 184
5.16　bpftrace的内部运作 ....................................................................................... 185
5.17　bpftrace的调试 ............................................................................................... 186
5.17.1　printf() 调试 ...................................................................................... 186
5.17.2　调试模式 ........................................................................................... 187
5.17.3　详情模式 ........................................................................................... 188
5.18　小结 ................................................................................................................ 190
第6章　CPU................................................................................................................191
6.1　背景知识 .......................................................................................................... 192
6.1.1　CPU 基础知识 ....................................................................................192
6.1.2　BPF 的分析能力 ................................................................................194
6.1.3　分析策略 ............................................................................................. 196
6.2　传统工具 .......................................................................................................... 197
6.2.1　内核统计 ............................................................................................. 197
6.2.2　硬件统计 ............................................................................................. 200
6.2.3　硬件采样 ............................................................................................. 202
6.2.4　定时采样 ............................................................................................. 203
6.2.5　事件统计与事件跟踪 ......................................................................... 207
6.3　BPF工具 ........................................................................................................... 210
6.3.1　execsnoop ............................................................................................ 211
6.3.2　exitsnoop ............................................................................................. 214
6.3.3　runqlat ................................................................................................. 215
6.3.4　runqlen ................................................................................................ 219
6.3.5　runqslower ........................................................................................... 222
6.3.6　cpudist ................................................................................................. 223
6.3.7　cpufreq ................................................................................................ 224
6.3.8　profile .................................................................................................. 227
6.3.9　offcputime ........................................................................................... 232
6.3.10　syscount ............................................................................................. 236
6.3.11　argdist 和 trace ..................................................................................239
6.3.12　funccount ........................................................................................... 242
6.3.13　softirqs ............................................................................................... 244
6.3.14　hardirqs ............................................................................................. 245
6.3.15　smpcalls ............................................................................................. 246
6.3.16　llcstat ................................................................................................. 250
6.3.17　其他工具 ........................................................................................... 251
6.4　BPF单行程序 ................................................................................................... 251
6.4.1　BCC 工具 ............................................................................................251
6.4.2　bpftrace 版本 ...................................................................................... 252
6.5　可选练习 .......................................................................................................... 253
6.6　小结 .................................................................................................................. 254
第7章　内存................................................................................................................255
7.1　背景知识 .......................................................................................................... 256
7.1.1　内存基础知识 ..................................................................................... 256
7.1.2　BPF 的分析能力 ................................................................................260
7.1.3　分析策略 ............................................................................................. 262
7.2　传统工具 .......................................................................................................... 263
7.2.1　内核日志 ............................................................................................. 263
7.2.2　内核统计信息 ..................................................................................... 264
7.2.3　硬件统计和硬件采样 ......................................................................... 268
7.3　BPF工具 ........................................................................................................... 269
7.3.1　oomkill ................................................................................................ 270
7.3.2　memleak .............................................................................................. 271
7.3.3　mmapsnoop ......................................................................................... 274
7.3.4　brkstack ............................................................................................... 275
7.3.5　shmsnoop ............................................................................................ 277
7.3.6　faults .................................................................................................... 277
7.3.7　ffaults .................................................................................................. 280
7.3.8　vmscan ................................................................................................ 281
7.3.9　drsnoop ................................................................................................ 284
7.3.10　swapin ............................................................................................... 285
7.3.11　hfaults ................................................................................................ 287
7.3.12　其他工具 ........................................................................................... 287
7.4　BPF单行程序 ................................................................................................... 288
7.4.1　BCC ..................................................................................................... 288
7.4.2　bpftrace ............................................................................................... 288
7.5　可选练习 .......................................................................................................... 289
7.6　小结 .................................................................................................................. 290
第8章　文件系统.........................................................................................................291
8.1　背景知识 .......................................................................................................... 292
8.1.1　文件系统基础知识 ............................................................................. 292
8.1.2　BPF 的分析能力 ................................................................................294
8.1.3　分析策略 ............................................................................................. 295
8.2　传统工具 .......................................................................................................... 296
8.2.1　df ......................................................................................................... 297
8.2.2　mount .................................................................................................. 297
8.2.3　strace ................................................................................................... 298
8.2.4　perf ...................................................................................................... 298
8.2.5　fatrace .................................................................................................. 301
8.3　BPF工具 ........................................................................................................... 302
8.3.1　opensnoop ........................................................................................... 303
8.3.2　statsnoop ............................................................................................. 306
8.3.3　syncsnoop ............................................................................................ 308
8.3.4　mmapfiles ............................................................................................ 309
8.3.5　scread .................................................................................................. 311
8.3.6　fmapfault ............................................................................................. 312
8.3.7　filelife .................................................................................................. 313
8.3.8　vfsstat .................................................................................................. 315
8.3.9　vfscount ............................................................................................... 317
8.3.10　vfssize ............................................................................................... 318
8.3.11　fsrwstat .............................................................................................. 320
8.3.12　fileslower ........................................................................................... 322
8.3.13　filetop ................................................................................................ 325
8.3.14　writesync ........................................................................................... 327
8.3.15　filetype ............................................................................................... 328
8.3.16　cachestat ............................................................................................ 331
8.3.17　writeback ........................................................................................... 334
8.3.18　dcstat ................................................................................................. 336
8.3.19　dcsnoop ............................................................................................. 338
8.3.20　mountsnoop ....................................................................................... 340
8.3.21　xfsslower ........................................................................................... 341
8.3.22　xfsdist ................................................................................................ 342
8.2.23　ext4dist .............................................................................................. 345
8.3.24　icstat .................................................................................................. 348
8.3.25　bufgrow ............................................................................................. 350
8.3.26　readahead .......................................................................................... 351
8.3.27　其他工具 ........................................................................................... 353
8.4　BPF单行程序 ................................................................................................... 353
8.4.1　BCC ..................................................................................................... 353
8.4.2　bpftrace ............................................................................................... 354
8.4.3　BPF 单行程序示范 ............................................................................356
8.5　可选练习 .......................................................................................................... 359
8.6　小结 .................................................................................................................. 360
第9章　磁盘I/O............................................................................................................361
9.1　背景知识 .......................................................................................................... 362
9.1.1　磁盘系统基础知识 ............................................................................. 362
9.1.2　BPF 的分析能力 ................................................................................365
9.1.3　分析策略 ............................................................................................. 366
9.2　传统工具 .......................................................................................................... 367
9.2.1　iostat .................................................................................................... 367
9.2.2　perf ...................................................................................................... 369
9.2.3　blktrace ................................................................................................ 370
9.2.4　SCSI 日志 ...........................................................................................371
9.3　BPF工具 ........................................................................................................... 372
9.3.1　biolatency ............................................................................................373
9.3.2　biosnoop .............................................................................................. 379
9.3.3　biotop .................................................................................................. 383
9.3.4　bitesize ................................................................................................ 384
9.3.5　seeksize ............................................................................................... 386
9.3.6　biopattern ............................................................................................ 388
9.3.7　biostacks .............................................................................................. 390
9.3.8　bioerr ................................................................................................... 393
9.3.9　mdflush ................................................................................................ 395
9.3.10　iosched .............................................................................................. 397
9.3.11　scsilatency ......................................................................................... 399
9.3.12　scsiresult ............................................................................................ 401
9.3.13　nvmelatency ......................................................................................403
9.4　BPF单行程序 ................................................................................................... 406
9.4.1　BCC ..................................................................................................... 406
9.4.2　bpftrace ............................................................................................... 407
9.4.3　BPF 单行程序示范 ............................................................................408
9.5　可选练习 .......................................................................................................... 409
9.6　小结 .................................................................................................................. 410
第10章　网络..............................................................................................................411
10.1　背景知识 ........................................................................................................ 412
10.1.1　网络基础知识 ................................................................................... 412
10.1.2　BPF 的分析能力 ..............................................................................419
10.1.3　分析策略 ........................................................................................... 421
10.1.4　常见的跟踪错误 ............................................................................... 421
10.2　传统工具 ........................................................................................................ 422
10.2.1　ss ....................................................................................................... 423
10.2.2　ip ....................................................................................................... 424
10.2.3　nstat ................................................................................................... 425
10.2.4　netstat ................................................................................................ 425
10.2.5　sar ...................................................................................................... 428
10.2.6　nicstat ................................................................................................ 429
10.2.7　ethtool ............................................................................................... 429
10.2.8　tcpdump ............................................................................................. 431
10.2.9　/proc .................................................................................................. 432
10.3　BPF工具 ......................................................................................................... 433
10.3.1　sockstat .............................................................................................. 435
10.3.2　sofamily ............................................................................................. 437
10.3.3　soprotocol .......................................................................................... 440
10.3.4　soconnect ........................................................................................... 442
10.3.5　soaccept .............................................................................................445
10.3.6　socketio ............................................................................................. 447
10.3.7　socksize ............................................................................................. 450
10.3.8　sormem .............................................................................................. 452
10.3.9　soconnlat ........................................................................................... 455
10.3.10　so1stbyte ......................................................................................... 459
10.3.11　tcpconnect ....................................................................................... 461
10.3.12　tcpaccept .........................................................................................464
10.3.13　tcplife .............................................................................................. 467
10.3.14　tcptop ............................................................................................... 472
10.3.15　tcpsnoop .......................................................................................... 473
10.3.16　tcpretrans .........................................................................................474
10.3.17　tcpsynbl ........................................................................................... 477
10.3.18　tcpwin .............................................................................................. 479
10.3.19　tcpnagle ...........................................................................................481
10.3.20　udpconnect ...................................................................................... 483
10.3.21　gethostlatency ................................................................................. 485
10.3.22　ipecn ................................................................................................ 487
10.3.23　superping ......................................................................................... 488
10.3.24　qdisc-fq ........................................................................................... 491
10.3.25　qdisc-cbq、qdisc-cbs、qdisc-codel、qdisc-fq_codel、qdisc-red、qdisc-tbf ....................................................................... 493
10.3.26　netsize ............................................................................................. 495
10.3.27　nettxlat ............................................................................................. 498
10.3.28　skbdrop ............................................................................................ 500
10.3.29　skblife .............................................................................................. 503
10.3.30　ieee80211scan .................................................................................505
10.3.31　其他工具 ......................................................................................... 507
10.4　BPF单行程序 ................................................................................................. 507
10.4.1　BCC ................................................................................................... 507
10.4.2　bpftrace ............................................................................................. 508
10.4.3　BPF 单行程序示范 ..........................................................................510
10.5　可选练习 ........................................................................................................ 513
10.6　小结 ................................................................................................................ 515
第11章　安全..............................................................................................................516
11.1　背景知识 ........................................................................................................ 516
11.1.1　BPF 的分析能力 ............................................................................... 517
11.1.2　无特权 BPF 用户 .............................................................................. 521
11.1.3　配置 BPF 安全策略 .......................................................................... 521
11.1.4　分析策略 ........................................................................................... 523
11.2　BPF工具 ......................................................................................................... 523
11.2.1　execsnoop .......................................................................................... 524
11.2.2　elfsnoop ............................................................................................. 524
11.2.3　modsnoop .......................................................................................... 526
11.2.4　bashreadline....................................................................................... 527
11.2.5　shellsnoop .......................................................................................... 528
11.2.6　ttysnoop ............................................................................................. 530
11.2.7　opensnoop ......................................................................................... 532
11.2.8　eperm ................................................................................................. 532
11.2.9　tcpconnect 和 tcpaccept .................................................................... 534
11.2.10　tcpreset ............................................................................................ 534
11.2.11　capable ............................................................................................. 536
11.2.12　setuids .............................................................................................. 540
11.3　BPF单行程序 ................................................................................................. 542
11.3.1　BCC ................................................................................................... 542
11.3.2　bpftrace ..............................................................................................543
11.3.3　BPF 单行程序示范 ........................................................................... 543
11.4　小结 ................................................................................................................ 544
第12章　编程语言.......................................................................................................545
12.1　背景知识 ........................................................................................................ 545
12.1.1　编译型语言 ....................................................................................... 546
12.1.2　即时编译型语言 ............................................................................... 547
12.1.3　解释型语言 ....................................................................................... 548
12.1.4　BPF 的分析能力 ..............................................................................549
12.1.5　分析策略 ........................................................................................... 550
12.1.6　BPF 工具 ..........................................................................................550
12.2　C ..................................................................................................................... 551
12.2.1　C 函数符号 ....................................................................................... 552
12.2.2　C 调用栈 ........................................................................................... 555
12.2.3　C 函数跟踪 ....................................................................................... 557
12.2.4　C 函数偏移量跟踪 ........................................................................... 558
12.2.5　C USDT ............................................................................................. 558
12.2.6　C 单行程序 ....................................................................................... 559
12.3　Java ................................................................................................................. 560
12.3.1　跟踪 libjvm ....................................................................................... 561
12.3.2　jnistacks ............................................................................................. 563
12.3.3　Java 线程名字 .................................................................................. 565
12.3.4　Java 方法的符号 .............................................................................. 566
12.3.5　Java 调用栈 ...................................................................................... 569
12.3.6　Java USDT 探针 ............................................................................... 573
12.3.7　profile ................................................................................................ 579
12.3.8　offcputime ......................................................................................... 583
12.3.9　stackcount ......................................................................................... 589
12.3.10　javastat ............................................................................................ 593
12.3.11　javathreads....................................................................................... 594
12.3.12　javacalls ........................................................................................... 596
12.3.13　javaflow ........................................................................................... 597
12.3.14　javagc .............................................................................................. 599
12.3.15　javaobjnew ...................................................................................... 599
12.3.16　Java 单行程序 ................................................................................ 600
12.4　bash shell ........................................................................................................ 601
12.4.1　函数计数 ........................................................................................... 603
12.4.2　函数参数跟踪（bashfunc.bt） .......................................................... 604
12.4.3　函数执行时长（bashfunclat.bt） ...................................................... 607
12.4.4　/bin/bash ............................................................................................ 609
12.4.5　/bin/bash USDT ................................................................................. 613
12.4.6　bash 单行程序 .................................................................................. 613
12.5　其他语言 ........................................................................................................ 614
12.5.1　JavaScript（Node.js） ........................................................................ 614
12.5.2　C++ ................................................................................................... 616
12.5.3　Golang ............................................................................................... 616
12.6　小结 ................................................................................................................ 619
第13章　应用程序.......................................................................................................620
13.1　背景知识 ........................................................................................................ 621
13.1.1　应用程序基础信息 ........................................................................... 621
13.1.2　应用程序示例 ：MySQL 服务器 ....................................................622
13.1.3　BPF 的能力 ......................................................................................623
13.1.4　分析策略 ........................................................................................... 624
13.2　BPF工具 ......................................................................................................... 625
13.2.1　execsnoop .......................................................................................... 626
13.2.2　threadsnoop ....................................................................................... 626
13.2.3　profile ................................................................................................ 629
13.2.4　threaded ............................................................................................. 632
13.2.5　offcputime ......................................................................................... 634
13.2.6　offcpuhist .......................................................................................... 638
13.2.7　syscount ............................................................................................. 641
13.2.8　ioprofile ............................................................................................. 642
13.2.9　libc 帧指针 ........................................................................................ 644
13.2.10　mysqld_qslower .............................................................................. 645
13.2.11　mysqld_clat ..................................................................................... 648
13.2.12　signals ............................................................................................. 652
13.2.13　killsnoop .......................................................................................... 654
13.2.14　pmlock 和 pmheld ........................................................................... 655
13.2.15　naptime ............................................................................................ 660
13.2.16　其他工具 ......................................................................................... 662
13.3　BPF单行程序 ................................................................................................. 662
13.3.1　BCC ................................................................................................... 662
13.3.2　bpftrace ............................................................................................. 663
13.4　BPF单行程序示范 ......................................................................................... 664
13.5　小结 ................................................................................................................ 664
第14章　内核..............................................................................................................665
14.1　背景知识 ........................................................................................................ 666
14.1.1　内核基础知识 ................................................................................... 666
14.1.2　BPF 的分析能力 ..............................................................................668
14.2　分析策略 ........................................................................................................ 669
14.3　传统工具 ........................................................................................................ 670
14.3.1　Ftrace ................................................................................................. 670
14.3.2　perf sched .......................................................................................... 673
14.3.3　slabtop ............................................................................................... 674
14.3.4　其他工具 ........................................................................................... 675
14.4　BPF工具 ......................................................................................................... 675
14.4.1　loads .................................................................................................. 676
14.4.2　offcputime ......................................................................................... 677
14.4.3　wakeuptime .......................................................................................679
14.4.4　offwaketime ...................................................................................... 681
14.4.5　mlock 和 mheld ................................................................................. 683
14.4.6　自旋锁 ............................................................................................... 687
14.4.7　kmem ................................................................................................. 688
14.4.8　kpages ............................................................................................... 689
14.4.9　memleak ............................................................................................690
14.4.10　slabratetop ....................................................................................... 691
14.4.11　numamove ....................................................................................... 692
14.4.12　workq .............................................................................................. 694
14.4.13　小任务 ............................................................................................. 695
14.4.14　其他工具 ......................................................................................... 696
14.5　BPF单行程序 ................................................................................................. 697
14.5.1　BCC ................................................................................................... 697
14.5.2　bpftrace ............................................................................................. 698
14.6　BPF单行程序示范 ......................................................................................... 699
14.6.1　按系统调用函数对系统调用进行计数 ........................................... 699
14.6.2　对内核函数开始的 hrtimer 进行计数 ............................................. 699
14.7　挑战 ................................................................................................................ 700
14.8　小结 ................................................................................................................ 700
第15章　容器..............................................................................................................701
15.1　背景知识 ........................................................................................................ 701
15.1.1　BPF 的分析能力 ..............................................................................703
15.1.2　挑战 ................................................................................................... 703
15.1.3　分析策略 ........................................................................................... 706
15.2　传统工具 ........................................................................................................ 706
15.2.1　从主机上分析 ................................................................................... 706
15.2.2　在容器内分析 ................................................................................... 707
15.2.3　systemd-cgtop ................................................................................... 707
15.2.4　kubectl top ......................................................................................... 708
15.2.5　docker stats ........................................................................................ 708
15.2.6　/sys/fs/cgroups ................................................................................... 709
15.2.7　perf .................................................................................................... 709
15.3　BPF工具 ......................................................................................................... 710
15.3.1　runqlat ............................................................................................... 710
15.3.2　pidnss ................................................................................................ 711
15.3.3　blkthrot .............................................................................................. 714
15.3.4　overlayfs ............................................................................................ 715
15.4　BPF单行程序 ................................................................................................. 717
15.5　可选练习 ........................................................................................................ 717
15.6　小结 ................................................................................................................ 718
第16章　虚拟机管理器................................................................................................719
16.1　背景知识 ........................................................................................................ 719
16.1.1　BPF 的分析能力 ..............................................................................721
16.1.2　建议的分析策略 ............................................................................... 722
16.2　传统工具 ........................................................................................................ 722
16.3　访客系统的BPF工具 ..................................................................................... 723
16.3.1　Xen 超级调用 ................................................................................... 723
16.3.2　xenhyper ............................................................................................ 727
16.3.3　Xen 回调 ........................................................................................... 729
16.3.4　cpustolen ........................................................................................... 731
16.3.5　HVM 退出跟踪 ................................................................................ 732
16.4　宿主机BPF工具 ............................................................................................. 732
16.4.1　kvmexits ............................................................................................ 733
16.4.2　未来的工作 ....................................................................................... 737
16.5　小结 ................................................................................................................ 737
第17章　其他BPF性能工具.........................................................................................738
17.1　Vector和Performance Co-Pilot（PCP） ....................................................... 738
17.1.1　可视化 ............................................................................................... 739
17.1.2　可视化 ：热图 ................................................................................... 740
17.1.3　可视化 ：表格形式的数据 ............................................................... 742
17.1.4　BCC 提供的指标 ..............................................................................743
17.1.5　内部实现 ........................................................................................... 743
17.1.6　安装 PCP 和 Vector ..........................................................................744
17.1.7　连接并显示数据 ............................................................................... 744
17.1.8　配置 BCC PMDA ............................................................................. 746
17.1.9　改进工作 ........................................................................................... 747
17.1.10　进一步阅读 ..................................................................................... 747
17.2　Grafana和Performance Co-Pilot .................................................................... 747
17.2.1　安装和配置 ....................................................................................... 748
17.2.2　连接并查看数据 ............................................................................... 748
17.2.3　改进工作 ........................................................................................... 750
17.2.4　进一步阅读 ....................................................................................... 750
17.3　Cloudflare eBPF Prometheus Exporter（配合Grafana） ............................. 750
17.3.1　构建并运行 ebpf 导出器 ................................................................. 750
17.3.2　配置 Prometheus 监控 ebpf_exporter 实例 ..................................... 751
17.3.3　在 Grafana 中设置一个查询 ............................................................ 751
17.3.4　进一步阅读 ....................................................................................... 751
17.4　kubectl-trace ................................................................................................... 752
17.4.1　跟踪节点 ........................................................................................... 752
17.4.2　跟踪 pod 和容器 ............................................................................... 753
17.4.3　进一步阅读 ....................................................................................... 755
17.5　其他工具 ........................................................................................................ 755
17.6　小结 ................................................................................................................ 755
第18章　建议、技巧和常见问题. .................................................................................756
18.1　典型事件的频率和额外开销 ........................................................................ 756
18.1.1　频率 ................................................................................................... 757
18.1.2　执行的操作 ....................................................................................... 758
18.1.3　自行测试 ........................................................................................... 760
18.2　以49Hz或99Hz为采样频率 .......................................................................... 760
18.3　黄猪和灰鼠 .................................................................................................... 760
18.4　开发目标软件 ................................................................................................ 762
18.5　学习系统调用 ................................................................................................ 763
18.6　保持简单 ........................................................................................................ 764
18.7　事件缺失 ........................................................................................................ 764
18.8　调用栈缺失 .................................................................................................... 766
18.8.1　如何修复损坏的调用栈 ................................................................... 767
18.9　打印时符号缺失（函数名称） .................................................................... 767
18.9.1　如何修复符号缺失 ：JIT 运行时（Java、Node.js、...） ................ 768
18.9.2　如何修复符号缺失 ：ELF 二进制文件（C、C++、...） ................ 768
18.10　跟踪时函数缺失 .......................................................................................... 768
18.11　反馈回路 ...................................................................................................... 769
18.12　被丢掉的事件 .............................................................................................. 769
附录A　bpftrace单行程序............................................................................................770
附录B　bpftrace备忘单...............................................................................................775
附录C　BCC工具的开发.............................................................................................778
附录D　C.BPF. ............................................................................................................793
附录E　BPF指令.........................................................................................................812

译者序一
我现在仍能回想起 2003 年年初在北京交通大学机房里的情景。班主任高老师递给我一张自刻的 Debian 光盘，让我这个 Windows 玩家负责安装一台新服务器，因为“服务器中安装的都是这个系统”。我就这样在机房里熬了几个通宵，不知道刷了多少遍机，一点一点地踏上了 Linux 使用之路。再后来，我收到了人生中第一份国际快递 — 来自
Ubuntu 的免费安装光盘。回首想想，在我初学 Linux 的路上，给我留下最深印象的，就是“鸟哥的 Linux 私房菜”等一系列 Linux 教程文章。工作之后，作为一名自认为技术合格的运维 SRE 从业人员和云计算爱好者，借工作之便我可以阅读到一些 Linux 技术博客、杂志，还能参加一些技术会议。我一直想着有一天能为 Linux 技术的发展和推广做
出自己的一点贡献。
从 2017 年起，我就逐渐关注到，BPF 这个名词在 Linux 技术讨论中出现的频率越来越高。2019 年参加 USENIX 大会时，我有幸参加了本书作者 Brendan Gregg 主讲的一堂 BPF 讲座，受益匪浅。BPF 技术作为 Linux 内核的一个关键发展节点，其重要程度不亚于虚拟化、容器、SDN 等技术。我希望能依靠本书，为这项新技术的推广和发展贡献一些自己的力量。这就是我主动请缨加入翻译团队的初衷。
一年过去，我想感谢翻译团队的成员、出版社编辑的大力支持，感谢家人和朋友的支持、包容和理解。希望本书能给想要深入了解 BPF 技术与 Linux 内核技术的朋友带来便利，也期待着未来能在这方面与大家进行更多更深入的交流。
                                                                                                        孙宇聪 2020 年 10 月 18 日晚于美国加州湾区

译者序二
本人在互联网领域深耕多年，曾就职于谷歌北京、谷歌爱尔兰、阿里巴巴北京，现在在美国谷歌总部基础架构部门工作，对技术由衷地热爱，尤其是对系统底层技术。说起本书的翻译，现在想想，有一种冥冥之中注定的缘分。
2019 年 10 月底，约好友孙宇聪参加一年一度的 LISA 会议。会议在美国波特兰举行，伴着色彩斑斓的秋色，在威拉米特河畔的万豪酒店内，我第一次面对面见到了本书作者Brendan Gregg。
Brendan Gregg 是技术圈公认的系统性能“大神”，之前只是在他的网站上阅览过他的关于系统性能的技术文章，收获知识的同时感慨他对系统的深刻理解。在他的研讨会上，得知了他的新书 BPF Performance Tools 马上就要上市了。
会后，在波特兰机场的餐厅内，我和宇聪畅想了 2020 年我们想做的几件事情，第一件事就是要翻译 Brendan Gregg 的这本新书。有同样想法的不止我们两个，2019 年年底的时候，我们三位译者就拿到了英文原版书，正式开始翻译。
BPF 本身已经存在很多年了，但是最近几年 eBPF 才开始真正登上舞台（现在大家说的 BPF 就是 eBPF），被大公司应用于生产环境，覆盖范围也开始涉及网络之外的其他领域。Brendan Gregg 拓展了原本 BPF 的应用范围，并基于自己对系统可观测性和性能分析的需要开发了一系列 BPF 工具。这些工具好比瑞士军刀，体型虽小，但是非常实用，并且很容易扩展、定制来适应不同的生产环境 ；本书就是该“瑞士军刀”的说明书，可以让你快速上手解决问题，并帮助你理解什么时候使用传统性能分析工具，什么时候使用 BPF 工具。
本书可以作为一本参考手册使用，在遇到问题时参考对应的章节即可。书中介绍的工具仅仅是一个开始，当对 BPF 开发环境有一定的了解之后，你可以根据需要对现有工具进行深度定制。如果你是一名技术爱好者，想对系统底层调试进行更深入的学习，本书很适合你 ；如果你是一名系统维护者，想了解系统的瓶颈在哪里，本书很适合你 ；如
果你是一名资源主管，想要提高系统的效率，本书也很适合你。
2020 年注定是不平凡的一年。年初左腿前交叉韧带拉断，做了重建手术，全球又爆发了新冠肺炎疫情，工作安排也跟着进行了调整。三位译者来自不同的 IT 公司，翻译进度受到很大影响，原定的交稿日期也从年初拖到了下半年。在如此艰难的环境下完成翻译，对自己是一个莫大的挑战。在这里衷心希望本书能帮助那些想征服性能调试高峰
的技术爱好者。
最后，我要感谢孙宇聪向编辑的推荐，感谢出版社把这样一本硬核图书交给我们几位译者翻译 ；还要感谢我的家人和朋友，他们的关怀和帮助让我顺利完成本书的翻译。
                                                                                吕宏利 2020 年 10 月 15 日于美国加州湾区

译者序三
毫无疑问，BPF 是近年来 Linux 系统技术领域一个巨大的创新。2018 年我初次接触BPF，便对它有一见倾心的感觉，工作之余混迹于 BCC 和 bpftrace 等相关项目社区，陆续贡献了一些补丁程序。现在，我和字节跳动的同事基于这项系统底层技术构建了全新而强大的性能分析和网络监控诊断平台，取得了非常好的效果。在这里由衷地感谢相关
开源社区及本书作者 Brendan Gregg ！
追根溯源的话，BPF 于 1992 年诞生在美国劳伦斯伯克利国家实验室（B 代表伯克利）。不过，BPF 在过去相当长的时间内都鲜为人知，原因无非是用户和应用场景少，即便在经常使用 tcpdump 嗅探抓包的网络管理员中，又有多少人知道它的存在呢？
今非昔比，经过扩展后的新 BPF 吸引了社区开发者的广泛关注。其热度之高，使得 Linux 内核开发者圈中曾出现“BPF 会替代 Linux”这样的玩笑言论。不过直接编写BPF 程序开展相关工作比较烦琐，而 BCC/bpftrace 等项目则大大降低了 BPF 程序编写和使用的门槛，进一步促进了 BPF 的实战应用。
作为性能分析领域享誉全球的专家，Brendan Gregg 也是上述项目的核心开发者，因此没有人比他更适合来写这样一本利用 BPF 工具进行性能分析的书了。从这个角度来说，翻译和阅读这本书都是在向大师学习。
在本书的翻译过程中，我得到了电子工业出版社编辑侠少、合作译者孙宇聪和吕宏利的帮助、支持以及家人的理解和包容，在此表示深深的感谢！
                                                                                                 刘晓舟 2020 年 10 月于北京

序
程序员常常说他们“煎了一个补丁”（cook a patch）而不是“实现了一个补丁”（implement a patch）。我从学生时代起就着迷于编程。为了写出好的代码，程序员需要最好的“食材”。虽然各种不同的编程语言提供了不同的组件，也就是“食材”，但是对Linux 内核编程来说，除了内核代码本身，就没有其他选择了。
2012 年，我需要增加一组内核特性，但是我需要的“食材”并不存在。我完全可以选择在内核中添加一些新的专用代码，这样几年之后还能使用。但是，我决定创建一种“普适的食材”，这样在有经验的程序员手中，它既可以成为内核中二层的网桥，也可以成为三层的网络路由器。
我有一些重要的要求 ：“普适的食材”必须和使用者的编程技能无关，可以被安全使用。一个怀着恶意或者经验不足的开发者不应该具备通过它制作病毒的能力。“普适的食材”不应该允许这种情况的发生。
在内核中已经存在一个叫作 BPF（伯克利数据包过滤器）的“食材”具备类似的特性：一个最小化的指令集，可以在数据被 tcpdump 这样的应用处理之前进行过滤。我借用它的名字称呼这个新的“食材”为 eBPF，这里 e 代表扩展版（extended）。
几年之后，eBPF 和经典 BPF 的差距已经消失了。我的“普适的食材”已经完全替代了原来的 BPF。很多知名的公司基于它建造了庞大的系统，来向包括你和我在内的数十亿用户提供服务。它具有的安全性原则允许许多“厨师”成长为世界级大厨。
第一个 BPF“大厨”就是 Brendan Gregg。他敏锐地发现，除了应用于网络和安全领域，BPF 亦可作为性能分析、监视和可观测性的工具。不过创造这些工具然后再对它们的性能进行解释，对实践和知识的要求是很高的。
我衷心希望本书能够成为读者最心爱的“菜谱”，在这里你可以向厨神学习如何在Linux 厨房中使用 BPF。
                                                             Alexei Starovoitov 2019 年 8 月于美国华盛顿州西雅图市

前　言
“扩展版 BPF 的使用案例 ：……真疯狂啊。” ——Alexei Starovoitov，新 BPF 的创建者，2015 年 2 月
2014 年 7 月，Alexei Starovoitov 到访了 Netflix 公司位于加州 Los Gatos 的办公室，对他开发的一项有趣的技术进行研讨 ：扩展版的伯克利数据包过滤器（简写为 eBPF 或者 BPF）。BPF 是一项用于改进包过滤的冷门技术，此时 Alexei 已经有了对其在包过滤之外的领域进行扩展的远见卓识。Alexei 和另外一名网络工程师 Daniel Borkmann 并肩协作，将 BPF 改写为一个通用的虚拟机，可以运行高级的网络程序和其他类型的程序。
这是一个令人惊叹的想法。有一种使用场景令我十分感兴趣，那就是可以将 BPF 用在开发性能分析的工具上，我看到了 BPF 能够提供我所需要的可编程能力。于是我们做了一个约定 ：如果 Alexei 能够将 BPF 与数据包之外的东西相连接，我将使用它来开发性能分析工具。
BPF 现在已经可以挂载到任何事件源上，它也成为系统工程领域一项热门的新技术，拥有众多活跃的贡献者。到目前为止，我已经开发并公开了超过 70 个 BPF 性能分析工具，它们在全球范围内得到广泛使用，并且在 Netflix、Facebook 等公司中进入服务器的默认安装软件列表。我还专门为本书单独开发了许多工具，同时也引入不少其他人贡献的工具。很荣幸能够在这本书中为大家分享这些实用的工具，这样你就可以使用它们进行性能分析、故障定位以及其他种种工作。
作为一名性能工程师，我常沉迷于使用各种工具之中。系统中的盲点是性能瓶颈和软件 bug 的藏身之处。我早先在工作中使用过 DTrace 技术，在 2011 年我编写了 DTrace ：Dynamic Tracing in Oracle Solaris，Mac OS X，and FreeBSD 一书（由 Prentice Hall 出版，以下简称为“DTrace 一书”），在那本书中分享了我为这些操作系统开发的工具。现在能够分享 Linux 下的类似工具 — 甚至可以做得更多、看到更多 — 我感到十分兴奋。
为什么你需要BPF性能工具
BPF 性能工具可以帮助你改进性能、降低开销、解决软件问题，从而使系统和应用的效益最大化。它们能比传统性能工具分析得更多，并允许你向生产环境中的系统随意提出问题，并且能够立刻得到答案。
关于本书
本书是关于应用在可观测性和性能分析领域的 BPF 工具的，但是这些工具也有其他用途 ：软件故障排查、安全分析等。学习 BPF 最困难的部分不在于写代码 ：你可以在一天的时间内学会编写接口程序。困难之处在于如何应用 ：在数以千计的可用事件中，你能够从中得到什么信息？本书会帮助你回答这些问题，通过给出性能分析的一些必要的
背景，然后使用 BPF 性能工具对许多不同的软硬件目标进行分析，并附上 Netflix 服务器上的样例输出。
BPF 的可观测性是一种超能力，不过这仅仅是因为它扩展了我们对系统和应用的可观测能力，而非重复这种能力。为了高效地使用 BPF，你需要理解什么时候使用传统的性能分析工具，包括 iostat(1) 和 perf(1)，什么时候使用 BPF 工具。本书也会介绍传统的工具，可能对于解决某些性能问题它们已经够用了，当不能解决时，它们也会提供有用
的上下文和线索，指导进一步使用 BPF 工具。
本书中的许多章节包含了学习目标，告知读者哪些是学习要点。本书中的材料也用在 Netflix 关于使用 BPF 分析的内部课程中，有些章节还包含了可选的练习。 
本书中的许多 BPF 工具来自 BCC 和 bpftrace 的代码仓库，这两个项目是 Linux 基金会下的 IO Visor 项目。它们是开源的，可以自由使用，不仅可以从项目的网站上下载，而且很多 Linux 发行版中已经包含了它们。我也为本书新写了一些 bpftrace 工具，并把它们的源代码一并包含到本书中。
这些工具并不是为了演示各种 BPF 功能而随意创建的，创建它们是为了在生产环境中使用。我使用这些工具解决的生产问题超出了当前分析工具集的能力。
对于用 bpftrace 编写的工具，本书已经包含了源代码。如果你希望修改或开发新的bpftrace 工具，则可以从第 5 章中学习 bpftrace 语言，也可以从本书的许多源代码清单中学习。这些源代码有助于说明每个工具的功能以及它们所检测的事件 ：就像包含可以运行的伪代码一样。
BCC 和 bpftrace 前端已经趋于成熟，但是将来的变更可能会导致本书中包含的某些源代码停止工作，并且需要更新。如果工具来源于 BCC 或 bpftrace，请检查那些存储库中的更新版本。如果工具来源于本书，请访问本书的网站（参见链接 1 1 ）。最重要的不是某个工具有效，而是你了解该工具并让它能够工作。 BPF 跟踪最困难的部分是要知道用它来做什么 ；甚至损坏的工具也会是有用想法的来源之一。
新工具
为了给你提供一整套全面的分析工具，并且出于可用于代码示例的目的，本书共开发了 80 多种新工具。其中许多如图 P-1 所示。 在此图中，先前存在的工具以黑色文本显示，为该书创建的新工具则以灰色显示。本书同时涵盖了既有工具和新工具，尽管后面的许多图都没有使用灰色 / 黑色方案来区分它们。
关于图形界面（GUI）
一些 BCC 工具已经成为测量工具 GUI 的数据来源 — 提供时间序列数据来绘制折线图，提供调用栈来绘制火焰图，或者提供秒粒度的直方图以绘制热力图等。我预期未来会有更多的人通过 GUI 使用这些 BPF 工具，而非直接使用这些工具本身。无论你最终如何使用，它们都可以提供丰富的信息。本书介绍了这些工具提供的指标，如何解读指标，以及你如何自己动手创建新工具。
关于 Linux 版本
在本书中介绍了许多 Linux 技术，通常带有内核版本号和出现的年份。有时，我也指明了该技术的开发人员，以便你可以辨识出原始作者撰写的支持材料。
扩展版 BPF 已被部分添加到 Linux 中。第一部分在 2014 年的 Linux 3.18 中添加，此后在 Linux 4.x 和 5.x 系列中添加了更多内容。为了具有足够的功能来运行本书中介绍的 BPF 工具，建议使用 Linux 4.9 或更高版本。本书中的示例运行在 Linux 4.9 到 5.3 内核之上。
已经开始将扩展版 BPF 引入其他内核，并且本书的未来版本可能不仅仅涉及 Linux。
本书不包含的内容
BPF 的应用范围很广，BPF 性能工具的许多用例本书并未涉及，其中包括用于软件定义网络、防火墙、容器安全和设备驱动程序。
本书聚焦于使用 bpftrace 和 BCC 工具，以及开发新的 bpftrace 工具，但不涉及开发新的 BCC 工具。 BCC 源代码通常很长，无法在书中直接包含，但是附录 C 中提供了一些示例作为可选内容供读者参考。附录 D 中提供了使用 C 语言进行编程的示范，附录 E中提供了使用 BPF 指令进行工具开发的示例，对那些希望更深入了解 BPF 工具的工作原理的人来说，这些示例也可能有用。
本书并不专门针对某种特定语言或应用程序的性能进行分析，因为这方面已经有其他书籍了，它们涵盖了对应语言调试和分析工具的介绍。使用其他工具和 BPF 工具联合解决问题是很常见的，不同的工具之间可以互补，提供不同的解决问题的线索。本书介绍了来自 Linux 的基本系统分析工具，因此你可以利用这些工具直接解决一些问题，如果需要进一步分析，再转向使用提供进一步观察能力的 BPF 工具。
本书简要介绍了每个分析目标的背景和策略。这些主题在我之前出版的那本《性能之巅 ：洞悉系统、企业与云计算》 [Gregg 13b] 书中有较详细的解释。
本书的结构
本书分为三个部分。第 1 部分 ：第 1 至 5 章，介绍了 BPF 跟踪所需的背景知识，包括性能分析、内核跟踪技术以及两个主要的 BPF 跟踪前端实现 — BCC 和 bpftrace。
第 2 部分包含第 6 至 16 章，涵盖 BPF 可跟踪的目标：CPU、内存、文件系统、磁盘 I/O、网络、安全、语言、应用程序、内核、容器和虚拟机管理器等。尽管你可以按顺序学习这些章节，但本书设计为支持跳至你感兴趣的章节。这些章节遵循同样的结构：背景讨论、分析策略建议以及特定的 BPF 工具。文中还包含了一些可以帮助读者理顺分析思路的图表。
最后一部分，包含第 17 章和第 18 章，涵盖了一些其他主题：其他 BPF 工具以及提示、技巧和常见问题。
附录提供了 bpftrace 单行程序和 bpftrace 速查表，介绍了 BCC 工具开发，包括通过perf(1)（Linux 工具）进行的 C BPF 工具开发以及 BPF 指令摘要。
本书使用了许多术语和缩写，在需要的地方会对它们进行解释。
有关更多信息源，请参见本前言结尾处的“补充材料和参考资料”部分。
目标读者
本书的写作初衷是希望对各种角色的人都有用。无须任何编码即可使用本书中的BPF 工具 ：你可以将其用作可以运行的预编写工具表。如果确实想编写代码，则本书中包含的所有代码和第 5 章的内容将帮助你学习快速编写自己的工具。
你不必具备性能分析的背景知识，每章会简述必要的背景知识细节。
本书的特定读者包括 ：
? 负责生产系统的系统管理员、站点可靠性工程师、数据库管理员、性能工程师和支持人员可以将本书用作诊断性能问题、了解资源使用情况以及对问题进行故障排除的指南。
? 应用程序开发人员可以使用这些工具来分析自己的代码，并检测代码以及系统事件。例如，可以检查触发磁盘 I/O 事件的应用程序代码。这样可以在无法直接查看内核事件的应用程序特定工具之外，提供一个更完整的行为视图。
? 安全工程师可以学习如何监控所有的事件以发现可疑行为，并创建正常活动的白名单（请参见第 11 章）。
? 性能监控开发者可以使用本书来获得有关在其产品中添加新的可观测性的想法。
? 内核开发人员可以学习如何编写 bpftrace 单行程序来调试自己的代码。
? 学习操作系统和应用程序的学生可以使用 BPF 工具以新的和自定义的方式分析正在运行的系统。学生无须学习抽象的内核技术，而是可以对其进行跟踪并实时了解它们的运行方式。
为了使本书能够专注于 BPF 工具的应用，假定你具备极少的关于所涉及主题的知识储备，包括互联网（例如，IPv4 地址是什么）和命令行用法。

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