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eBPF 实践教程：使用 eBPF 跟踪 Go 协程状态

Go 是 Google 创建的一种广受欢迎的编程语言，以其强大的并发模型而著称。Go 语言的一个重要特点是协程（goroutine）的使用——这些协程是轻量级、由 Go 运行时管理的线程，使得编写并发程序变得非常简单。然而，在实时环境中理解和跟踪这些协程的执行状态，尤其是在调试复杂系统时，可能会面临很大的挑战。

这时我们可以利用 eBPF（扩展伯克利包过滤器）技术。eBPF 最初设计用于网络数据包过滤，但随着时间的推移，eBPF 已经发展成为一个强大的工具，用于跟踪和监控系统行为。通过使用 eBPF，我们可以深入到内核，收集有关 Go 程序运行时行为的数据，包括协程的状态。本文将探讨如何使用 eBPF 跟踪 Go 程序中的协程状态转换。

背景：协程与 eBPF

协程

协程是 Go 语言的核心特性之一，它提供了一种简单而高效的并发处理方式。与传统的线程不同，协程由 Go 运行时管理，而不是由操作系统管理，因此更加轻量化。协程可以在以下几种状态之间进行转换：

  • RUNNABLE（可运行）：协程已准备好运行。
  • RUNNING（运行中）：协程正在执行中。
  • WAITING（等待）：协程正在等待某个事件（如 I/O 或定时器）。
  • DEAD（终止）：协程执行完毕并已终止。

理解这些状态以及协程之间的状态转换对于诊断性能问题、确保 Go 程序的高效运行至关重要。

eBPF

eBPF 是一种强大的技术，它允许开发人员在不修改内核源代码或加载内核模块的情况下，在 Linux 内核中运行自定义程序。eBPF 最初用于数据包过滤，但现在已扩展为一种多功能工具，广泛应用于性能监控、安全和调试。

通过编写 eBPF 程序，开发人员可以跟踪各种系统事件，包括系统调用、网络事件和进程执行。在本文中，我们将重点介绍如何使用 eBPF 跟踪 Go 程序中协程的状态转换。

eBPF 内核代码

现在，让我们深入探讨实现该跟踪功能的 eBPF 内核代码。

#include <vmlinux.h>
#include "goroutine.h"
#include <bpf/bpf_core_read.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>

#define GOID_OFFSET 0x98

struct {
  __uint(type, BPF_MAP_TYPE_RINGBUF);
  __uint(max_entries, 256 * 1024);
} rb SEC(".maps");

SEC("uprobe/./go-server-http/main:runtime.casgstatus")
int uprobe_runtime_casgstatus(struct pt_regs *ctx) {
  int newval = ctx->cx;
  void *gp = ctx->ax;
  struct goroutine_execute_data *data;
  u64 goid;
  if (bpf_probe_read_user(&goid, sizeof(goid), gp + GOID_OFFSET) == 0) {
    data = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*data), 0);
    if (data) {
      u64 pid_tgid = bpf_get_current_pid_tgid();
      data->pid = pid_tgid;
      data->tgid = pid_tgid >> 32;
      data->goid = goid;
      data->state = newval;
      bpf_ringbuf_submit(data, 0);
    }
  }
  return 0;
}

char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";
  1. 头文件：代码首先包含了必要的头文件，如 vmlinux.h（提供内核定义）和 bpf_helpers.h（提供 eBPF 程序的辅助函数）。
  2. GOID_OFFSET：goid 字段的偏移量被硬编码为 0x98，这是特定于所跟踪的 Go 版本和程序的。此偏移量在不同的 Go 版本或程序中可能有所不同。
  3. 环形缓冲区映射：定义了一个 BPF 环形缓冲区映射，用于存储协程的执行数据。这个缓冲区允许内核高效地将信息传递到用户空间。
  4. Uprobe：该 eBPF 程序的核心是一个附加到 Go 程序中 runtime.casgstatus 函数的 uprobe（用户级探针）。该函数负责改变协程的状态，因此非常适合用来拦截和跟踪状态转换。
  5. 读取协程 ID：bpf_probe_read_user 函数从用户空间内存中读取协程 ID（goid），使用的是预定义的偏移量。
  6. 提交数据：如果成功读取了协程 ID，则数据会与进程 ID、线程组 ID 以及协程的新状态一起存储在环形缓冲区中。随后，这些数据会提交到用户空间以供分析。

运行程序

要运行此跟踪程序，请按照以下步骤操作：

  1. 编译 eBPF 代码：使用类似 ecc（eBPF 编译集合）这样的编译器编译 eBPF 程序，并生成一个可以由 eBPF 加载器加载的包。

    ecc goroutine.bpf.c goroutine.h

  2. 运行 eBPF 程序：使用 eBPF 加载器运行编译后的 eBPF 程序。

    ecli-rs run package.json

  3. 输出：程序将输出协程的状态转换及其 goid、pid 和 tgid。以下是一个示例输出：

    TIME     STATE       GOID   PID    TGID   
21:00:47 DEAD(6)     0      2542844 2542844
21:00:47 RUNNABLE(1) 0      2542844 2542844
21:00:47 RUNNING(2)  1      2542844 2542844
21:00:47 WAITING(4)  2      2542847 2542844

完整代码可以在 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial/tree/main/src/31-goroutine 找到。

如果你想了解更多关于 eBPF 的知识和实践，你可以访问我们的教程代码库 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 或网站 https://eunomia.dev/tutorials/ 获取更多示例和完整教程。

内核模式 eBPF 运行时的 Uprobe 可能会带来较大的性能开销。在这种情况下，你也可以考虑使用用户模式的 eBPF 运行时，例如 bpftime。bpftime 是基于 LLVM JIT/AOT 的用户模式 eBPF 运行时，它可以在用户模式下运行 eBPF 程序，并且在处理 uprobe 时比内核模式 eBPF 更快。

结论

使用 eBPF 跟踪协程状态可以深入了解 Go 程序的执行情况，尤其是在传统调试工具可能无法胜任的生产环境中。通过利用 eBPF，开发人员可以监控和诊断性能问题，确保 Go 应用程序高效运行。

请注意，本 eBPF 程序中使用的偏移量是特定于所跟踪的 Go 版本和程序的。随着 Go 的发展，这些偏移量可能会发生变化，需要对 eBPF 代码进行更新。

在未来的探索中，我们可以将这种方法扩展到跟踪 Go 程序或其他语言的其他方面，展示 eBPF 在现代软件开发中的多功能性和强大作用。