BPF之巔：洞悉Linux系統(tǒng)和應(yīng)用性能
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適讀人群 ：BPF性能工具將是所有管理員、開發(fā)人員、支持人員和其他IT專業(yè)人員不可或缺的資源，他們可以在任何企業(yè)或云環(huán)境中使用任何最新的Linux發(fā)行版。
作為BPF技術(shù)的開拓者和專家，Brendan Gregg在本書中不僅展示了超過150個可以立即使用的分析工具和調(diào)試工具，對這些工具的應(yīng)用場景進行了分析，還提供了開發(fā)自定義工具的分步指南。在本書中，讀者可學(xué)習(xí)到如何分析CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、編程語言、應(yīng)用程序、容器、虛擬機管理器、安全及內(nèi)核。Gregg帶領(lǐng)讀者由淺入深地了解從基礎(chǔ)工具到進階工具的使用，幫助讀者收集更有用、更深入的技術(shù)信息，可以用來優(yōu)化幾乎任何類型的Linux系統(tǒng)和應(yīng)用程序。
◎?qū)W習(xí)必備的跟蹤知識，以及兩個核心BPF前端：BCC和bpftrace。
◎掌握超過150個強大的BPF工具的使用方法，其中包括幾十個專為本書開發(fā)的工具，全部可以下載使用。
◎掌握有效的分析策略、分析技巧，以及提高分析效率的小竅門。
◎掌握各種編程語言的分析技巧，包括編譯型、JIT編譯型、解釋型語言，如C、Java、bash shell等。
◎?qū)W習(xí)如何生成各種新的性能指標(biāo)、調(diào)用棧信息，以及自定義延遲直方圖。
◎?qū)W習(xí)如何使用傳統(tǒng)工具配合BPF分析來快速簡單地實現(xiàn)目標(biāo)。
◎探索基于BPF構(gòu)建的高級工具：實現(xiàn)遠程監(jiān)控的PCP和Grafana組合、eBPF導(dǎo)出器，以及跟蹤Kubernetes的kubectl—trace。
內(nèi)容簡介
《BPF之巔：洞悉Linux系統(tǒng)和應(yīng)用性能》作為全面介紹 BPF 技術(shù)的圖書，從 BPF 技術(shù)的起源到未來發(fā)展方向都有涵蓋，不僅全面介紹了 BPF 的編程模型，還完整介紹了兩個主要的 BPF 前端編程框架 — BCC 和 bpftrace，更給出了一系列實現(xiàn)范例，生動展示了 BPF技術(shù)的實際能力和未來發(fā)展前景。
本書的另一個關(guān)注方向是 Linux 系統(tǒng)性能和應(yīng)用程序性能的調(diào)優(yōu)。內(nèi)容涉及系統(tǒng)性能調(diào)優(yōu)的策略、工具與實踐案例，不僅介紹了對應(yīng)的 BPF 工具，還著重介紹了這些工具如何與 Linux 傳統(tǒng)性能工具進行互補，這樣讀者可以有選擇地進行使用。
本書介紹的工具小巧精致，并提供了簡單易讀的源代碼，它們展示了 BPF 技術(shù)的魅力所在 ：安全、高效、快捷的系統(tǒng)擴展力。未來 BPF 技術(shù)在 Linux 中的應(yīng)用場景會越來越多，越來越重要。希望本書能在大家學(xué)習(xí) BPF 技術(shù)并關(guān)注它的發(fā)展時提供幫助。
作者簡介
Brendan Gregg（布蘭登.格雷格）
Netflix 高級性能工程師
Brendan Gregg 是 BPF（eBPF）的主要貢獻者，他幫助開發(fā)和維護了兩個主要的 BPF 前端框架，開創(chuàng)了 BPF 用于可觀測性的先河，并創(chuàng)建了數(shù)十種基于 BPF 的性能分析工具。他編著的暢銷書有《性能之巔：洞悉系統(tǒng)、企業(yè)與云計算》。
譯者介紹
孫宇聰：曾就職于美國加利福尼亞谷歌總部，后先后就任
Coding.net技術(shù)負責(zé)人、火幣中國全球IT負責(zé)人及火幣美國硅谷研發(fā)團隊負責(zé)人，以及Facebook臉書運維技術(shù)經(jīng)理等職位。譯有《SRE：谷歌運維揭秘》《架構(gòu)整潔之道》《BPF之巔：洞悉Linux系統(tǒng)和應(yīng)用性能》等名著，曾在全球軟件開發(fā)大會、Qcon、全球架構(gòu)師峰會、 O'Reilly Velocity等科技峰會進行公開演講。
呂宏利，資深SRE，現(xiàn)任職于谷歌基礎(chǔ)架構(gòu)部。之前曾負責(zé)谷歌搜索廣告和內(nèi)容廣告系統(tǒng)運維工作，有多年分布式系統(tǒng)研發(fā)與運維經(jīng)驗。對運維工具平臺建設(shè)、監(jiān)控、應(yīng)用性能跟蹤及分析、數(shù)據(jù)化運維等方面有深入的研究。
劉曉舟，畢業(yè)于北京大學(xué)計算機系，現(xiàn)供職于字節(jié)跳動公司系統(tǒng)部，任系統(tǒng)架構(gòu)師。他在字節(jié)跳動主持構(gòu)建了基于 eBPF 的大規(guī)模性能分析和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控診斷平臺，閑暇時間也在相關(guān)開源社區(qū)提交代碼。在加入字節(jié)跳動之前，他有 10 年國家部委電子政務(wù)和大數(shù)據(jù)研究經(jīng)歷。
目錄
第1章 引 言1
1.1 BPF和eBPF是什么 1
1.2 跟蹤、嗅探、采樣、剖析和可觀測性分別是什么 2
1.3 BCC、bpftrace和IO Visor 3
1.4 初識BCC：快速上手 4
1.5 BPF跟蹤的能見度 7
1.6 動態(tài)插樁：kprobes和uprobes 8
1.7 靜態(tài)插樁：tracepoint和USDT 9
1.8 初識bpftrace：跟蹤open() 10
1.9 再回到BCC：跟蹤open() 13
1.10 小結(jié) 15
第2章 技術(shù)背景16
2.1 圖釋BPF 16
2.2 BPF 17
2.3 擴展版BPF 18
2.4 調(diào)用?；厮?41
2.5 火焰圖 44
2.6 事件源 48
2.7 kprobes 49
2.8 uprobes 53
2.9 跟蹤點 57
2.10 USDT 62
2.11 動態(tài)USDT 66
2.12 性能監(jiān)控計數(shù)器 68
2.13 perf_events 69
2.14 小結(jié) 70
第3章 性能分析71
3.1 概覽 71
3.2 性能分析方法論 73
3.3 Linux 60秒分析 77
3.4 BCC工具檢查清單 84
3.5 小結(jié) 90
第4章 BCC91
4.1 BCC的組件 92
4.2 BCC的特性 92
4.3 安裝BCC 94
4.4 BCC的工具 96
4.5 funccount 100
4.6 stackcount 105
4.7 trace 110
4.8 argdist 117
4.9 工具文檔 121
4.10 開發(fā)BCC工具 126
4.11 BCC的內(nèi)部實現(xiàn) 127
4.12 BCC的調(diào)試 128
4.13 小結(jié) 136
第5章 bpftrace137
5.1 bpftrace的組件 138
5.2 bpftrace的特性 139
5.3 bpftrace的安裝 141
5.4 bpftrace工具 143
5.5 bpftrace單行程序 145
5.6 bpftrace的文檔 146
5.7 bpftrace編程 146
5.8 bpftrace的幫助信息 155
5.9 bpftrace的探針類型 157
5.10 bpftrace的控制流 163
5.11 bpftrace的運算符 164
5.12 bpftrace的變量 165
5.13 bpftrace的函數(shù) 170
5.14 bpftrace映射表的操作函數(shù) 177
5.15 bpftrace的下一步工作 183
5.16 bpftrace的內(nèi)部運作 185
5.17 bpftrace的調(diào)試 186
5.18 小結(jié) 190
第6章 CPU.191
6.1 背景知識 192
6.2 傳統(tǒng)工具 197
6.3 BPF工具 210
6.4 BPF單行程序 251
6.5 可選練習(xí) 253
6.6 小結(jié) 254
第7章 內(nèi)存.255
7.1 背景知識 256
7.2 傳統(tǒng)工具 263
7.3 BPF工具 269
7.4 BPF單行程序 288
7.5 可選練習(xí) 289
7.6 小結(jié) 290
第8章 文件系統(tǒng)291
8.1 背景知識 292
8.2 傳統(tǒng)工具 296
8.3 BPF工具 302
8.4 BPF單行程序 353
8.5 可選練習(xí) 359
8.6 小結(jié) 360
第9章 磁盤I/O361
9.1 背景知識 362
9.2 傳統(tǒng)工具 367
9.3 BPF工具 372
9.4 BPF單行程序 406
9.5 可選練習(xí) 409
9.6 小結(jié) 410
第10章 網(wǎng)絡(luò)411
10.1 背景知識 412
10.2 傳統(tǒng)工具 422
10.3 BPF工具 433
10.4 BPF單行程序 507
10.5 可選練習(xí) 513
10.6 小結(jié) 515
第11章 安全516
11.1 背景知識 516
11.2 BPF工具 523
11.3 BPF單行程序 542
11.4 小結(jié) 544
第12章 編程語言.545
12.1 背景知識 545
12.2 C 551
12.3 Java 560
12.4 bash shell 601
12.5 其他語言 614
12.6 小結(jié) 619
第13章 應(yīng)用程序.620
13.1 背景知識 621
13.2 BPF工具 625
13.3 BPF單行程序 662
13.4 BPF單行程序示范 664
13.5 小結(jié) 664
第14章 內(nèi)核665
14.1 背景知識 666
14.2 分析策略 669
14.3 傳統(tǒng)工具 670
14.4 BPF工具 675
14.5 BPF單行程序 697
14.6 BPF單行程序示范 699
14.7 挑戰(zhàn) 700
14.8 小結(jié) 700
第15章 容器701
15.1 背景知識 701
15.1.1 BPF 的分析能力 703
15.1.2 挑戰(zhàn) 703
15.1.3 分析策略 706
15.2 傳統(tǒng)工具 706
15.2.1 從主機上分析 706
15.2.2 在容器內(nèi)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
15.4 BPF單行程序 717
15.5 可選練習(xí) 717
15.6 小結(jié) 718
第16章 虛擬機管理器719
16.1 背景知識 719
16.2 傳統(tǒng)工具 722
16.3 訪客系統(tǒng)的BPF工具 723
16.4 宿主機BPF工具 732
16.5 小結(jié) 737
第17章 其他BPF性能工具738
17.1 Vector和Performance Co-Pilot（PCP） 738
17.2 Grafana和Performance Co-Pilot 747
17.3 Cloudflare eBPF Prometheus Exporter（配合Grafana） 750
17.4 kubectl-trace 752
17.5 其他工具 755
17.6 小結(jié) 755
第18章 建議、技巧和常見問題. 756
18.1 典型事件的頻率和額外開銷 756
18.2 以49Hz或99Hz為采樣頻率 760
18.3 黃豬和灰鼠 760
18.4 開發(fā)目標(biāo)軟件 762
18.5 學(xué)習(xí)系統(tǒng)調(diào)用 763
18.6 保持簡單 764
18.7 事件缺失 764
18.8 調(diào)用棧缺失 766
18.9 打印時符號缺失（函數(shù)名稱） 767
18.10 跟蹤時函數(shù)缺失 768
18.11 反饋回路 769
18.12 被丟掉的事件 769
附錄A bpftrace單行程序770
附錄B bpftrace備忘單775
附錄C BCC工具的開發(fā)778
附錄D C.BPF. 793
附錄E BPF指令812
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前言/序言
前 言
“擴展版 BPF 的使用案例 ：……真瘋狂啊?！?——Alexei Starovoitov，新 BPF 的創(chuàng)建者，2015 年 2 月
2014 年 7 月，Alexei Starovoitov 到訪了 Netflix 公司位于加州 Los Gatos 的辦公室，對他開發(fā)的一項有趣的技術(shù)進行研討 ：擴展版的伯克利數(shù)據(jù)包過濾器（簡寫為 eBPF 或者 BPF）。BPF 是一項用于改進包過濾的冷門技術(shù)，此時 Alexei 已經(jīng)有了對其在包過濾之外的領(lǐng)域進行擴展的遠見卓識。Alexei 和另外一名網(wǎng)絡(luò)工程師 Daniel Borkmann 并肩協(xié)作，將 BPF 改寫為一個通用的虛擬機，可以運行高級的網(wǎng)絡(luò)程序和其他類型的程序。
這是一個令人驚嘆的想法。有一種使用場景令我十分感興趣，那就是可以將 BPF 用在開發(fā)性能分析的工具上，我看到了 BPF 能夠提供我所需要的可編程能力。于是我們做了一個約定 ：如果 Alexei 能夠?qū)?BPF 與數(shù)據(jù)包之外的東西相連接，我將使用它來開發(fā)性能分析工具。
BPF 現(xiàn)在已經(jīng)可以掛載到任何事件源上，它也成為系統(tǒng)工程領(lǐng)域一項熱門的新技術(shù)，擁有眾多活躍的貢獻者。到目前為止，我已經(jīng)開發(fā)并公開了超過 70 個 BPF 性能分析工具，它們在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用，并且在 Netflix、Facebook 等公司中進入服務(wù)器的默認安裝軟件列表。我還專門為本書單獨開發(fā)了許多工具，同時也引入不少其他人貢獻的工具。很榮幸能夠在這本書中為大家分享這些實用的工具，這樣你就可以使用它們進行性能分析、故障定位以及其他種種工作。
