RHCA学习笔记:RH442-Unit4 内核级监控与分析

UNIT 4 Kernel-Level Profiling 内核级监控与分析

学习目标：
1. 使用OProfile 去监控内核和应用程序
2. 在生产环境中部署SystemTap脚本去监控内核。
3．把SystemTap 脚本去编译到内核模块。

4.1 Oprofile
A. Oprofile 可以监控：
a. 中断处理
b. 应用程序和共享库
c. 整个系统的性能
d. 捕获特定间隔时间发生的事件，但不会干涉事件。
B. Oprofile 需要有硬件性能计数器(CPU内部)。
a. 运行时对设备影响较小
b. 支持IA-32, IA-64, AMD64, PowerPC L架构
c. 硬件平台可移植性好。
d. 如果硬件计数器无效的情况下（2.6内核）会默认使用计时模式。
e. 使用时不需要指定编译选项。

注: elinks -du mp file:///usr/share/doc/oprofile-*/oprofile.html | less 获取Oprofile信息

PS: oprofile 是 Linux 平台上的一个功能强大的性能分析工具， 支持两种采样(sampling)方式：基于事件的采样(event based)和基于时间的采样(time based)。
　　基于事件的采样是oprofile只记录特定事件（比如L2 cache miss）的发生次数，当达到用户设定的 定值时oprofile 就记录一下（采一个样）。这种方式需要CPU 内部有性能计数器(performace counter)。
基于时间的采样是oprofile 借助OS 时钟中断的机制，每个时钟中断 oprofile 都会记录一次(采一次样）。引入的目的在于，提供对没有性能计数器 CPU 的支持。其精度相对于基于事件的采样要低。因为要借助 OS 时钟中断的支持，对禁用中断的代码oprofile不能对其进行分析。

4.2 Installing Oprofile 安装Oprofile
A. 安装Oprofile相关软件包
yum list all | grep oprofile
yum –y install oprofile oprofile-gui
B. 查询Oprofile相关安装信息
rpm –ql oprofile oprofile-gui | grep bin
rpm –qc oprofile
rpm –qd oprofile
grep oprofile /etc/passwd
C. 在kernel-doc 目录查看Oprofile帮助文档
Documentation/basic_profiling.txt
确定系统是否支持Oprofile: grep -h PROF /boot/config-*

4.3 Installing Kernel-debuginfo 安装Kernel-debuginfo
A. 安装与内核相匹配的kernel*-debuginfo 软件包
uname –r 查看内核版本
yum list all | grep ‘(kernel|kernel.*debug)’
yum –y install kernel-xen-debuginfo-version-release

NOTE: kernel-debug!=kernel-debuginfo
kernel-debug: 用于系统排错
kernel-debuginfo: 用于系统代码或模块扩展
B.确认内核版本号是否匹配
Export QF=’%{release} %{version} %{name}\n’
rpm –qa –queryformat “$QF” kernel\* | sort

4.4 Setting up Oprofile 设置Oprofile
A. 找出vmlinux debuginfo module
rpm –ql kernel-xen-debuginfo | grep vmlinux
B. 将下面配置添加到/etc/rc.local完成相应的监控功能：
a. 监控内核:
Opcontrol –setup –vmlinux=/usr/lib/debug/lib/modules/$(uname –r )/vmlinux
(注：Oprofile 需要知道当前运行的内核所在的映像文件.)
b. 监控应用程序：
Opcontrol –setup –no-vmlinux
C. 相关选项：限制监控范围
opcontrol –list-events
opcontrol –event=CPU_CLK_UNHALTED:400000
--event=DATA_MEM_REFS:10000

4.5 Running a test 测试
A. 清除原有数据并开始收集数据。
opcontrol --reset
opcontrol --start
B. 运行想要测试的命令
C.将收集到的数据保存到/var/lib/oprofile/samples/
opcontrol –dump
D. 停止Oprofile
Opcontrol –stop

4.6 Reviewing results 查看监控结果
A. 查看所有应用程序
Opreport > /tmp/oprofile.data
a. 应用程序执行时被调用了多少次
b. 每次执行时处理器所花的时间
B. 查看特定应用程序
opreport –l /bin/bash > /tmp/oprofile.data
C. 可以查看帮助文档
/usr/share/doc/oprofile-*/oprofile.html

4.7 SystemTap
A. 可以监控：
a. 通过kprobes 子系统可以显示出所有系统调用
b. 捕获所有事件
B. 编译一个脚本到内核模块
a.systemtap 脚本语言格式与awk类似
b.脚本具有高可移植性
C. 通常在生产环境没有编译器。
a. 在开发环境上：把脚本编译到内核模块
b.在生产环境上：部署内核模块
c 确保当前运行的内核版本一致
Modinfo modulenam | grep vermagic
PS:
SystemTap 是监控和跟踪运行中的 Linux 内核的操作的动态方法。这句话的关键词是动态，因为 SystemTap 没有使用工具构建一个特殊的内核，而是允许您在运行时动态地安装该工具。它通过一个名为Kprobes 的应用编程接口（API）来实现该目的，
SystemTap 是监控和跟踪运行中的 Linux 内核的操作的动态方法。这句话的关键词是动态，因为 SystemTap 没有使用工具构建一个特殊的内核，而是允许您在运行时动态地安装该工具。它通过一个名为Kprobes 的应用编程接口（API）来实现该目的.

4.8 Required packages 所需软件包
A. 开发环境：
systemtap
kernel-debuginfo (必须与内核相匹配)
kernel-devel (必须与内核相匹配)
gcc
B. 生产环境：
systemtap-runtime

4.9 SystemTap scripts
A. 脚本中可以使用点“.”并且支持通配符
probe kernel.function(“foo”)
probe kernel.function(“*”).return
参考 /usr/share/doc/systemtap-*/examples
B. 所包含功能：
/usr/share/systemtap/tapset
a. man –k systemtap
b.通常SystemTap脚本里面都至少需要定义一个探测点
c. 探测点类型：IO scheduler,networking,NFS,memory manager,SCSI,signal subsystems

4.10 The stap command
A.在开发环境使用
B. SystemTap运行的过程依次分为五个阶段：
a. 分析脚本
b. 解析当前运行的内核的符号信息
c. 将脚本转换成C文件
d. 创建内核模块
e. 加载，运行，卸载内核模块（需要root权限）
C. 例：获取内核功能函数清单
stap –p2 –e ‘probe kernel.function(“*”) {} | sort –u

PS:
每一个阶段的主要功能：
* Pass 1 - parse：这个阶段主要是检查输入脚本是否存在语法错误，例如大括号是否匹配，变量定义是否规范等
* Pass 2 - elaborate：这个阶段主要是对输入脚本中定义的探测点或者用到的函数展开，不但需要综合SystemTap的预定义脚本库，还需要分析内核或者内核模块的调试信息
* Pass 3 - translate: 在这个阶段，将展开后的脚本转换成C文件。前三个阶段的功能类似于编译器，将.stp文件编译成为完整的.c文件，因此又被合起来称为转换器(translator)
* Pass 4 - build：在这个阶段，将C源文件编译成内核模块，在这过程中还会用到SystemTap的运行时库函数。
* Pass 5 - run：这个阶段，将编译好的内核模块插入内核，开始进行数据收集和传输。

4.11 The staprun command
A. 在生产环境使用
a. 不需要编译器
B. 运行systemtap只需要一个步骤
a. 加载，运行，卸载内核模块（需要root权限）
C. 例: 运行一个模块
Staprun /path/to/module.ko
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