使用 eBPF 在生产环境调试 Go 应用-技术圈

本文是描述我们如何在生产中使用 eBPF 调试应用程序的系列文章中的第一篇，无需重新编译/重新部署，这篇文章介绍了如何使用 gobpf^[1] 和uprobes 为 Go 应用程序建立一个函数参数跟踪器，这种技术也可以扩展到其他编译语言，如 C++、Rust 等。

介绍

通常在调试应用的时候，我们对捕获程序的状态比较感兴趣，这可以让我们检查应用程序正在做什么，并确定我们代码中的错误所在，观察状态的一个简单方法是使用调试器来捕获函数参数，对于 Go 应用程序，我们经常使用的是 Delve 或 gdb。

Delve 和 gdb 在开发环境中调试效果很好，但在生产中并不经常使用，调试器会对程序造成很大的干扰，甚至允许状态变化，这可能就会导致生产环境的应用出现一些意外的故障。

为了更干净地捕获函数参数，我们将探索使用 Linux 4.x+ 中可用的增强型 BPF（eBPF^[2]）和更高级别的 Go 库 gobpf 的使用。

什么是 eBPF?

Extended BPF（eBPF）是 Linux 4.x+ 中的一种内核技术，你可以把它看作是一个轻量级的沙盒虚拟机，它运行在 Linux 内核内部，可以提供对内核内存的验证访问。

如下所示，eBPF 允许内核运行 BPF 字节码，虽然使用的前端语言可以不同，但通常都是 C 语言的限制子集，通常先用 Clang 将 C 代码编译成 BPF 字节码，然后对字节码进行验证以确保其安全执行。这些严格的验证保证了机器代码不会故意或意外地危害 Linux 内核，并且保证了 BPF 探针每次被触发时都能在一定数量的指令中执行，这些保证使得 eBPF 能够用于性能关键型的工作负载，如数据包过滤、网络监控等。

在功能上，eBPF 允许你在一些事件（如定时器、网络事件或函数调用）发生时运行受限的 C 代码，当触发一个函数调用时，我们把这些函数称为 probe，它们可以用来运行在内核内的函数调用上（kprobes），也可以运行在用户空间程序的函数调用上（uprobes）。接下来我们主要介绍如何使用 uprobes 来动态跟踪函数参数。

Uprobes

Uprobes 允许你通过插入一个调试陷阱指令（x86 上的 int3）来拦截用户空间程序，触发软中断，这也是调试器的工作方式。一个 uprobe 的流程基本上与任何其他 BPF 程序相同。编译和验证过的 BPF 程序作为 uprobe 的一部分被执行，结果可以写入缓冲区。

让我们看看 uprobes 是如何实际运行的，为了部署 uprobes 和捕获函数参数，我们将使用一个简单的演示程序。

// computeE computes the approximation of e by running a fixed number of iterations.
2func computeE(iterations int64) float64 {
3  res := 2.0
4  fact := 1.0
5
6  for i := int64(2); i < iterations; i++ {
7    fact *= float64(i)
8    res += 1 / fact
9  }
10  return res
11}
12
13func main() {
14  http.HandleFunc("/e", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
15    // Parse iters argument from get request, use default if not available.
16    // ... removed for brevity ...
17    w.Write([]byte(fmt.Sprintf("e = %0.4f\n", computeE(iters))))
18  })
19  // Start server...
20}

main() 函数中启动了一个简单的 HTTP 服务器，它在 /e 上暴露了一个单一的 GET 端点，该端点使用迭代近似计算欧拉数(e)，computeE 接收一个单一的查询参数(iters)，它指定了近似运行的迭代次数。迭代次数越多，近似越精确，但代价是计算周期，我们不需要了解函数背后的数学知识点，这里我们主要是了解如何跟踪 computeE 的调用参数。

为了了解 uprobes 是如何工作的，我们来看看二进制文件内部是如何跟踪符号的。由于 uprobes 是通过插入调试陷阱指令来工作的，所以我们需要得到函数所在的地址，Linux 上的 Go 二进制文件使用 ELF 来存储调试信息，即使在优化的二进制文件中，这些信息也是可用的，除非调试数据被剥离了，我们可以使用命令 objdump 来检查二进制中的符号。

[0] % objdump --syms app|grep computeE
00000000006609a0 g     F .text    000000000000004b              main.computeE

从输出可以看出来函数 computeE 位于地址 0x6609a0，要查看它周围的指令，我们可以要求 objdump 将其拆解为二进制（通过添加 -d 完成），拆解后的代码是这样的。

[0] % objdump -d app | less
00000000006609a0 :
  6609a0:       48 8b 44 24 08          mov    0x8(%rsp),%rax
  6609a5:       b9 02 00 00 00          mov    $0x2,%ecx
  6609aa:       f2 0f 10 05 16 a6 0f    movsd  0xfa616(%rip),%xmm0
  6609b1:       00
  6609b2:       f2 0f 10 0d 36 a6 0f    movsd  0xfa636(%rip),%xmm1

从中我们可以看到调用 computeE 时的情况，第一条指令是 mov 0x8(%rsp),%rax，这将内容偏移 0x8 从 rsp 寄存器移到 rax 寄存器，这其实就是上面的输入参数迭代，Go 的参数是在栈上传递的。

有了这些信息，我们现在就可以编写代码来跟踪 compute 的参数了。

构建 Tracer

为了捕捉事件，我们需要注册一个 uprobe 函数，并有一个可以读取输出的用户空间函数。我们将编写一个名为 tracer 的二进制，负责注册 bPF 代码和读取 bPF 代码的结果，如图所示，uprobe 将简单地写入一个 perf-buffer，一个用于 perf 事件的 linux 内核数据结构。

接下来让我们来看看当我们添加一个 uprobe 时发生的细节，下图显示了 Linux 内核是如何用 uprobe 修改二进制的。软中断指令(int3)作为main.computeE 的第一条指令被插入，这将引起一个软中断，允许 Linux 内核执行我们的 BPF 函数，然后我们将参数写入 perf-buffer，由 tracer 异步读取。

这里的 BPF 函数比较简单，C 代码如下所示。我们注册这个函数，这样每次调用 main.computeE 时都会调用它，一旦它被调用，我们只需读取函数参数并将其写入 perf buffer。大量的模板需要来设置缓冲区等，这可以在完整的示例^[3] 中找到。

#include 

BPF_PERF_OUTPUT(trace);

inline int computeECalled(struct pt_regs *ctx) {
  // The input argument is stored in ax.
  long val = ctx->ax;
  trace.perf_submit(ctx, &val, sizeof(val));
  return 0;
}

现在，我们有了一个功能完备的 main.computeE 函数的端到端参数跟踪器，其结果如下所示。

我们实际上可以使用 GDB来查看对二进制的修改，在这里，我们在运行跟踪二进制之前，将 0x6609a0 地址的指令转储起来。

(gdb) display /4i 0x6609a0
10: x/4i 0x6609a0
   0x6609a0 :    mov    0x8(%rsp),%rax
   0x6609a5 :  mov    $0x2,%ecx
   0x6609aa : movsd  0xfa616(%rip),%xmm0
   0x6609b2 : movsd  0xfa636(%rip),%xmm1

这是我们运行跟踪二进制后的情况，我们可以清楚地看到，现在第一条指令是 int3。

(gdb) display /4i 0x6609a0
7: x/4i 0x6609a0
   0x6609a0 :    int3
   0x6609a1 :  mov    0x8(%rsp),%eax
   0x6609a5 :  mov    $0x2,%ecx
   0x6609aa : movsd  0xfa616(%rip),%xmm0

虽然我们为这个特殊的例子硬编码了追踪器，但我们可以想办法把这个过程通用化。Go 的许多特性，如嵌套指针、接口、通道等，使得这个过程具有挑战性，但是解决这些问题可实现现有系统中不存在的另一种检测模式。另外，由于这个过程是在二进制层面工作的，所以它可以与其他语言（C++、Rust 等）的原生编译二进制一起使用，我们只需要考虑到它们各自 ABI 的不同点即可。

总结

使用 uprobes 的 BPF 跟踪有它自己的优点和缺点，当我们需要对二进制状态进行观察时，使用 BPF 是有好处的，即使是在附加调试器会有问题或有害的环境中运行时也是如此（例如生产二进制文件）。最大的缺点是，即使是很小的应用程序状态的跟踪也需要我们去编写代码，因为 BPF 的代码的编写和维护还是相对较复杂的。