================================== 作业 1——基于 Kprobe 的跟踪器 ================================== .. meta:: :description: 介绍操作系统 2 课程的第一个实验任务，内容包括用 kprobe 机制实现一个内核层面的监视器, 监控内核常见的函数调用情况。 :keywords: 内核编程, Linux, kprobe, kretprobe, 进程监控, 内存监控, 锁监控, procfs - 截止日期： :command:`周一，2024 年 4 月 8 日，23:59` 作业目标 ======================= * 掌握与 Linux 内核中函数仪器化（instrumentation）相关的知识 (``kretprobes`` 机制) * 掌握 Linux 内核中的 ``/proc`` 文件系统 * 熟悉 Linux 内核特定的数据结构 (``哈希表`` 和 ``链表``) 题目描述 ========= 构建一个内核操作监视器（surveillant）。 通过这个监视器，我们的目标是拦截： * ``kmalloc`` 和 ``kfree`` 调用 * ``schedule`` 调用 * ``up`` 和 ``down_interruptible`` 调用 * ``mutex_lock`` 和 ``mutex_unlock`` 调用 监视器将在进程级别上保存上述每个函数的调用次数。对于 ``kmalloc`` 和 ``kfree`` 调用，将显示已分配和释放的内存总量。 监视器需要以内核模块的形式实现，名称为 ``tracer.ko``。 实现细节 ---------------------- 拦截将通过记录每个上述函数的样本 (``kretprobe``) 来完成。监视器将保留一个包含被监视进程的列表/哈希表，并为这些进程记录上述信息。 为了控制包含被监视进程的列表/哈希表，我们需要使用名为 ``/dev/tracer`` 的字符设备，主设备号为 `10`，次设备号为 `42`。它将暴露一个带有两个参数的 ``ioctl`` 接口： * 第一个参数是对监视子系统的请求： * ``TRACER_ADD_PROCESS`` * ``TRACER_REMOVE_PROCESS`` * 第二个参数是要执行监视请求的进程的 PID 为了使用主设备号 `10` 创建字符设备，你需要在内核中使用 `miscdevice `__ 接口。相关宏的定义可以在 `tracer.h 头文件 `__ 中找到。 由于 ``kmalloc`` 函数是内联的，无法对分配的内存量进行仪器化，因此我们将检查 ``__kmalloc`` 函数： * 我们需要使用 ``kretprobe``，它将保留已分配的内存量和已分配内存区域的地址。 * ``kretprobe`` 结构中的 ``.entry_handler`` 和 ``.handler`` 字段将用于保留已分配的内存量和分配的内存起始地址。 .. code-block:: C static struct kretprobe kmalloc_probe = { .entry_handler = kmalloc_probe_entry_handler, /* 进入处理程序 */ .handler = kmalloc_probe_handler, /* 返回 probe 处理程序 */ .maxactive = 32, }; 由于 ``kfree`` 函数只接收要释放的内存区域的地址，为了确定释放的总内存量，我们需要根据该区域的地址确定其大小。这是可行的，因为系统在检查 ``__kmalloc`` 函数时进行了地址大小的关联。 对于其余的仪器化函数，使用 ``kretprobe`` 就足够了。 .. code-block:: C static struct kretprobe up_probe = { .entry_handler = up_probe_handler, .maxactive = 32, }; 虚拟机内核已启用 ``CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC`` 选项，其中 ``mutex_lock`` 符号是一个将展开为 ``mutex_lock_nested`` 的宏。因此，为了获取有关 ``mutex_lock`` 函数的信息，你需要对 ``mutex_lock_nested`` 函数进行仪器化。 添加到列表/哈希表的进程在执行结束时将从列表/哈希表中移除。此外，根据 ``TRACER_REMOVE_PROCESS`` 操作，系统将从调度列表/哈希表中移除一个进程。 监视器保留的信息将通过 procfs 文件系统显示在 ``/proc/tracer`` 文件中。每个受监视的进程，在 ``/proc/tracer`` 文件中都会有一个条目，其第一个字段是进程的 PID。该条目是只读的，对其进行读操作将显示保留的结果。显示条目内容的示例： .. code-block:: console $cat /proc/tracer PID kmalloc kfree kmalloc_mem kfree_mem sched up down lock unlock 42 12 12 2048 2048 124 2 2 9 9 1099 0 0 0 0 1984 0 0 0 0 1244 0 0 0 0 1221 100 1023 1023 1002 1337 123 99 125952 101376 193821 992 81921 7421 6392 测试 ======= 为了简化作业评估过程，同时也为了减少提交作业时的错误，作业评估将通过一个名为 `_checker` 的 `测试脚本 `__ 自动进行。测试脚本假定内核模块名为 `tracer.ko`。 快速开始 ========== 你必须从 `src `__ 目录中的代码模板开始实现作业。模板中只有一个名为 `tracer.h `__ 的头文件。你需要提供其余的实现。你可以添加任意数量的 `*.c` 源文件和额外的 `*.h` 头文件。你还应该提供一个名为 `tracer.ko` 的 Kbuild 文件来编译内核模块。请按照 `作业仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中的说明进行操作。 提示 ---- 要想增加获得最高分的机会，请阅读并遵循 Linux 内核中描述的 `编码风格规范 `__。 此外，使用以下静态分析工具来验证代码： - checkpatch.pl .. code-block:: console $ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/tracer.c - sparse .. code-block:: console $ sudo apt-get install sparse $ cd linux $ make C=2 /path/to/your/tracer.c - cppcheck .. code-block:: console $ sudo apt-get install cppcheck $ cppcheck /path/to/your/tracer.c 扣分项 --------- 关于作业扣分的信息可以在 `基本说明文件 `__ 中找到。此外，以下因素还将被考虑： * *-2*：未正确释放资源 (``kretprobes``, ``/proc`` 中的条目) * *-2*：多个执行实例使用的数据的数据同步问题（例如，列表/哈希表） 在特殊情况下（作业通过了测试但不符合要求），以及如果作业未全部通过测试，成绩可能会降低得更多。 提交作业 ------------------------ 作业将由 `vmchecker-next `__ 基础设施自动评分。提交作业将在 moodle 的 `课程页面 `__ 上与相关作业相关联。你可以在 `仓库 `__ 的 `README.md 文件 `__ 中找到提交详细信息。 资源 ========= * `Documentation/kprobes.txt `__ ——Linux 内核源代码中关于 ``kprobes`` 子系统的描述。 * `samples/kprobes/ `__ ——Linux 内核源代码中使用 ``kprobes`` 的一些示例。 我们建议你使用 gitlab 来存储你的作业。请按照 `README `__ 中的说明操作。 问题 ========= 如有相关问题，你可以参考邮件 `列表存档 `__ 或在专用的 Teams 频道上提问。