内核探测工具systemtap简介
systemtap是內核開發者必須要掌握的一個工具，本文我將簡單介紹一下此工具，后續將會有系列文章介紹systemtap的用法。
什么是systemtap
假如現在有這么一個需求：需要獲取正在運行的Linux系統的信息，如我想知道系統什么時候發生系統調用，發生的是什么系統調用等這些信息，有什么解決方案呢？
- 最原始的方法是，找到內核系統調用的代碼，加上我們需要獲得信息的代碼、重新編譯內核、安裝、選擇我們新編譯的內核重啟。這種做法對于內核開發人員簡直是夢魘，因為一遍做下來至少得需要1個多小時，不僅破壞了原有內核代碼，而且如果換了一個需求又得重新做一遍上面的工作。所以，這種調試內核的方法效率是極其低下的。
- 之后內核引入了一種Kprobe機制，可以用來動態地收集調試和性能信息的工具，是一種非破壞性的工具，用戶可以用它跟蹤運行中內核任何函數或執行的指令等。相比之前的做法已經有了質的提高了，但Kprobe并沒有提供一種易用的框架，用戶需要自己去寫模塊，然后安裝，對用戶的要求還是蠻高的。
- systemtap是利用Kprobe提供的API來實現動態監控和跟蹤運行中的Linux內核的工具，相比Kprobe，systemtap更加簡單，提供給用戶簡單的命令行接口，以及編寫內核指令的腳本語言。對于開發人員，systemtap是一款難得的工具。
下面將會介紹systemtap的安裝、systemtap的工作原理以及幾個簡單的示例。
systemtap的安裝
我的主機 Linux 發行版是32位 Ubuntu13.04，內核版本 3.8.0-30。由于 systemtap 運行需要內核的調試信息支撐，默認發行版的內核在配置時這些調試開關沒有打開，所以安裝完systemtap也是無法去探測內核信息的。 下面我以兩種方式安裝并運行 systemtap：
方法一
編譯內核以支持systemtap?
我們重新編譯內核讓其支持systemtap，首先你想讓內核中有調試信息，編譯內核時需要加上 -g 標志；其次，你還需要在配置內核時將 Kprobe 和 debugfs 開關打開。最終效果是，你能在內核 .config 文件中看到下面四個選項是設置的：
配置完之后，按照之前你編譯內核的步驟編譯即可。
獲取systemtap源碼?
從此地址?https://sourceware.org/systemtap/ftp/releases下載已經發布的systemtap的源代碼，截至目前（2013.9.17）最新版本為systemtap-2.3。下載完之后解壓。 當然你還可以使用 git 去克隆最新的版本（2.4），命令如下：
編譯安裝systemtap?
如果你下載的是最新版本的systemtap，那么你需要新版的 elfutils，可以從https://fedorahosted.org/releases/e/l/elfutils/?下載elfutils-0.156 版本。下載之后解壓縮到適合的目錄（我放在~/Document/ 下），不需要安裝，只要配置systemtap時指定其位置即可。 進入之前解壓systemtap的目錄，使用下面命令進行配置：
以這里方法配置之后，你只需要再運行?make install?即完成systemtap的編譯安裝。如果需要卸載的話，運行?make uninstall。
方法二
由于發行版的內核默認無內核調試信息，所以我們還需要一個調試內核鏡像，在http://ddebs.ubuntu.com/pool/main/l/linux/?找到你的內核版本相對應的內核調試鏡像（版本號包括后面的發布次數、硬件體系等都必須一致），如針對我上面的內核版本，就可以用如下命令下載安裝內核調試鏡像：
$ wget http://ddebs.ubuntu.com/pool/main/l/linux/linux-image-debug-3.8.0-30-generic_dbgsym_3.8.0-30.43_i386.ddeb $ sudo dpkg -i linux-image-debug-3.8.0-30-generic_dbgsym_3.8.0-30.43_i386.ddeb一般這種方法下，你只需要使用apt在線安裝systemtap即可：
$sudo apt-get install systemtap當然方法二僅限于Ubuntu發行版，至于其他的發行版并不能照搬，網上也有很多相關的資料。
systemtap 測試示例
安裝完systemtap之后，我們需要測試一下systemtap是否能正確運行：
示例一：打印hello systemtap
以root用戶或者具有sudo權限的用戶運行以下命令：
$stap -ve 'probe begin { log("hello systemtap!") exit() }'
如果安裝正確，會得到如下類似的輸出結果:
Pass 1: parsed user script and 96 library script(s) using 55100virt/26224res/2076shr/25172data kb, in 120usr/0sys/119real ms. Pass 2: analyzed script: 1 probe(s), 2 function(s), 0 embed(s), 0 global(s) using 55496virt/27016res/2172shr/25568data kb, in 0usr/0sys/4real ms. Pass 3: translated to C into "/tmp/stapYqNuF9/stap_e2d1c1c9962c809ee9477018c642b661_939_src.c" using 55624virt/27380res/2488shr/25696data kb, in 0usr/0sys/0real ms. Pass 4: compiled C into "stap_e2d1c1c9962c809ee9477018c642b661_939.ko" in 1230usr/160sys/1600real ms. Pass 5: starting run. hello systemtap! Pass 5: run completed in 0usr/10sys/332real ms.示例二：打印4s內所有open系統調用的信息
創建systemtap腳本文件test2.stp:
#!/usr/bin/stapprobe begin {log("begin to probe") }probe syscall.open {printf("%s(%d) open(%s)\n", execname(), pid(), argstr) }probe timer.ms(4000) # after 4 seconds {exit() }probe end {log("end to probe") }將該腳本添加可執行的權限chmod +x test2.stp,使用./test2.stp運行該腳本，即可打印4s內所有open系統調用的信息，打印格式為:進程名(進程號)打開什么文件。大家可以自行去測試，如果兩個示例都能正確運行，基本上算是安裝成功了！
systemtap 工作原理
systemtap 的核心思想是定義一個事件(event),以及給出處理該事件的句柄(Handler)。當一個特定的事件發生時，內核運行該處理句柄，就像快速調用一個子函數一樣，處理完之后恢復到內核原始狀態。這里有兩個概念:
- 事件(Event): systemtap定義了很多種事件，例如進入或退出某個內核函數、定時器時間到、整個systemtap會話啟動或退出等等。
- 句柄(Handler):就是一些腳本語句，描述了當事件發生時要完成的工作，通常是從事件的上下文提取數據，將它們存入內部變量中，或者打印出來。
Systemtap工作原理是通過將腳本語句翻譯成C語句，編譯成內核模塊。模塊加載之后，將所有探測的事件以鉤子的方式掛到內核上，當任何處理器上的某個事件發生時，相應鉤子上句柄就會被執行。最后，當systemtap會話結束之后，鉤子從內核上取下，移除模塊。整個過程用一個命令stap就可以完成。上面只是簡單的原理，更多背后的機理參考網上資料和相應的論文。
更多參考
- systemtap 官網給出了自學教程及相關論文，選擇看這個已經足夠了：https://sourceware.org/systemtap/documentation.html
- IBM 編寫的systemtap 指南也是很不錯的：?http://www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4469.html
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以上是生活随笔為你收集整理的内核探测工具systemtap简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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