作业 1——基于 Kprobe 的跟踪器

  • 截止日期： 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。
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。

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：

$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
$ linux/scripts/checkpatch.pl --no-tree --terse -f /path/to/your/tracer.c
  • sparse
$ sudo apt-get install sparse
$ cd linux
$ make C=2 /path/to/your/tracer.c
  • cppcheck
$ 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

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。