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eBPF 入门开发实践教程八：在 eBPF 中使用 exitsnoop 监控进程退出事件，使用 ring buffer 向用户态打印输出

eBPF (Extended Berkeley Packet Filter) 是 Linux 内核上的一个强大的网络和性能分析工具。它允许开发者在内核运行时动态加载、更新和运行用户定义的代码。

本文是 eBPF 入门开发实践教程的第八篇，在 eBPF 中使用 exitsnoop 监控进程退出事件。

ring buffer

现在有一个新的 BPF 数据结构可用，eBPF 环形缓冲区（ring buffer）。它解决了 BPF perf buffer（当今从内核向用户空间发送数据的事实上的标准）的内存效率和事件重排问题，同时达到或超过了它的性能。它既提供了与 perf buffer 兼容以方便迁移，又有新的保留/提交API，具有更好的可用性。另外，合成和真实世界的基准测试表明，在几乎所有的情况下，所以考虑将其作为从BPF程序向用户空间发送数据的默认选择。

eBPF ringbuf vs eBPF perfbuf

只要 BPF 程序需要将收集到的数据发送到用户空间进行后处理和记录，它通常会使用 BPF perf buffer（perfbuf）来实现。Perfbuf 是每个CPU循环缓冲区的集合，它允许在内核和用户空间之间有效地交换数据。它在实践中效果很好，但由于其按CPU设计，它有两个主要的缺点，在实践中被证明是不方便的：内存的低效使用和事件的重新排序。

为了解决这些问题，从Linux 5.8开始，BPF提供了一个新的BPF数据结构（BPF map）。BPF环形缓冲区（ringbuf）。它是一个多生产者、单消费者（MPSC）队列，可以同时在多个CPU上安全共享。

BPF ringbuf 支持来自 BPF perfbuf 的熟悉的功能:

  • 变长的数据记录。
  • 能够通过内存映射区域有效地从用户空间读取数据，而不需要额外的内存拷贝和/或进入内核的系统调用。
  • 既支持epoll通知，又能以绝对最小的延迟进行忙环操作。

同时，BPF ringbuf解决了BPF perfbuf的以下问题:

  • 内存开销。
  • 数据排序。
  • 浪费的工作和额外的数据复制。

exitsnoop

本文是 eBPF 入门开发实践教程的第八篇，在 eBPF 中使用 exitsnoop 监控进程退出事件，并使用 ring buffer 向用户态打印输出。

使用 ring buffer 向用户态打印输出的步骤和 perf buffer 类似，首先需要定义一个头文件：

头文件：exitsnoop.h

#ifndef __BOOTSTRAP_H
#define __BOOTSTRAP_H

#define TASK_COMM_LEN 16
#define MAX_FILENAME_LEN 127

struct event {
    int pid;
    int ppid;
    unsigned exit_code;
    unsigned long long duration_ns;
    char comm[TASK_COMM_LEN];
};

#endif /* __BOOTSTRAP_H */

源文件：exitsnoop.bpf.c

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

char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

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

SEC("tp/sched/sched_process_exit")
int handle_exit(struct trace_event_raw_sched_process_template* ctx)
{
    struct task_struct *task;
    struct event *e;
    pid_t pid, tid;
    u64 id, ts, *start_ts, start_time = 0;
    
    /* get PID and TID of exiting thread/process */
    id = bpf_get_current_pid_tgid();
    pid = id >> 32;
    tid = (u32)id;

    /* ignore thread exits */
    if (pid != tid)
        return 0;

    /* reserve sample from BPF ringbuf */
    e = bpf_ringbuf_reserve(&rb, sizeof(*e), 0);
    if (!e)
        return 0;

    /* fill out the sample with data */
    task = (struct task_struct *)bpf_get_current_task();
    start_time = BPF_CORE_READ(task, start_time);

    e->duration_ns = bpf_ktime_get_ns() - start_time;
    e->pid = pid;
    e->ppid = BPF_CORE_READ(task, real_parent, tgid);
    e->exit_code = (BPF_CORE_READ(task, exit_code) >> 8) & 0xff;
    bpf_get_current_comm(&e->comm, sizeof(e->comm));

    /* send data to user-space for post-processing */
    bpf_ringbuf_submit(e, 0);
    return 0;
}

这段代码展示了如何使用 exitsnoop 监控进程退出事件并使用 ring buffer 向用户态打印输出：

  1. 首先，我们引入所需的头文件和 exitsnoop.h。
  2. 定义一个名为 "LICENSE" 的全局变量，内容为 "Dual BSD/GPL"，这是 eBPF 程序的许可证要求。
  3. 定义一个名为 rb 的 BPF_MAP_TYPE_RINGBUF 类型的映射，它将用于将内核空间的数据传输到用户空间。指定 max_entries 为 256 * 1024，代表 ring buffer 的最大容量。
  4. 定义一个名为 handle_exit 的 eBPF 程序，它将在进程退出事件触发时执行。传入一个名为 ctx 的 trace_event_raw_sched_process_template 结构体指针作为参数。
  5. 使用 bpf_get_current_pid_tgid() 函数获取当前任务的 PID 和 TID。对于主线程，PID 和 TID 相同；对于子线程，它们是不同的。我们只关心进程（主线程）的退出，因此在 PID 和 TID 不同时返回 0，忽略子线程退出事件。
  6. 使用 bpf_ringbuf_reserve 函数为事件结构体 e 在 ring buffer 中预留空间。如果预留失败，返回 0。
  7. 使用 bpf_get_current_task() 函数获取当前任务的 task_struct 结构指针。
  8. 将进程相关信息填充到预留的事件结构体 e 中，包括进程持续时间、PID、PPID、退出代码以及进程名称。
  9. 最后，使用 bpf_ringbuf_submit 函数将填充好的事件结构体 e 提交到 ring buffer，之后在用户空间进行处理和输出。

这个示例展示了如何使用 exitsnoop 和 ring buffer 在 eBPF 程序中捕获进程退出事件并将相关信息传输到用户空间。这对于分析进程退出原因和监控系统行为非常有用。

Compile and Run

eunomia-bpf 是一个结合 Wasm 的开源 eBPF 动态加载运行时和开发工具链，它的目的是简化 eBPF 程序的开发、构建、分发、运行。可以参考 https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf 下载和安装 ecc 编译工具链和 ecli 运行时。我们使用 eunomia-bpf 编译运行这个例子。

Compile:

docker run -it -v `pwd`/:/src/ ghcr.io/eunomia-bpf/ecc-`uname -m`:latest

Or

$ ecc exitsnoop.bpf.c exitsnoop.h
Compiling bpf object...
Generating export types...
Packing ebpf object and config into package.json...

Run:

$ sudo ./ecli run package.json 
TIME     PID     PPID    EXIT_CODE  DURATION_NS  COMM    
21:40:09  42050  42049   0          0            which
21:40:09  42049  3517    0          0            sh
21:40:09  42052  42051   0          0            ps
21:40:09  42051  3517    0          0            sh
21:40:09  42055  42054   0          0            sed
21:40:09  42056  42054   0          0            cat
21:40:09  42057  42054   0          0            cat
21:40:09  42058  42054   0          0            cat
21:40:09  42059  42054   0          0            cat

总结

本文介绍了如何使用 eunomia-bpf 开发一个简单的 BPF 程序，该程序可以监控 Linux 系统中的进程退出事件, 并将捕获的事件通过 ring buffer 发送给用户空间程序。在本文中，我们使用 eunomia-bpf 编译运行了这个例子。

为了更好地理解和实践 eBPF 编程，我们建议您阅读 eunomia-bpf 的官方文档：https://github.com/eunomia-bpf/eunomia-bpf 。此外，我们还为您提供了完整的教程和源代码，您可以在 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 中查看和学习。希望本教程能够帮助您顺利入门 eBPF 开发，并为您的进一步学习和实践提供有益的参考。