ftrace 是內建於 Linux 核心的跟蹤工具，從 2.6.27 開始加入主流核心。使用 ftrace 可以除錯或者分析核心中發生的事情。ftrace 提供了不同的跟蹤器，以用於不同的場合，比如跟蹤核心函式呼叫、對上下文切換進行跟蹤、檢視中斷被關閉的時長、跟蹤核心態中的延遲以及效能問題等。系統開發人員可以使用 ftrace 對核心進行跟蹤除錯，以找到核心中出現的問題的根源，方便對其進行修復。另外，對核心感興趣的讀者還可以通過 ftrace 來觀察核心中發生的活動，瞭解核心的工作機制。

讓核心支援 ftrace

使用 ftrace ，首先要將其編譯進核心。核心原始碼目錄下的 kernel/trace/Makefile 檔案給出了 ftrace 相關的編譯選項。

清單 1. ftrace 相關的配置選項列表

 CONFIG_FUNCTION_TRACER 
 CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER 
 CONFIG_CONTEXT_SWITCH_TRACER 
 CONFIG_NOP_TRACER 
 CONFIG_SCHED_TRACER 
 ...

ftrace 相關的配置選項比較多，針對不同的跟蹤器有各自對應的配置選項。不同的選項有不同的依賴關係，核心原始碼目錄下的 kernel/trace/Kconfig 檔案描述了這些依賴關係。讀者可以參考 Makefile 檔案和 Konfig 檔案，然後選中自己所需要的跟蹤器。

通常在配置核心時，使用 make menuconfig 會更直觀一些。以 2.6.33.1 版本的核心為例，要將 ftrace 編譯進核心，可以選中 Kernel hacking （圖 1 ）下的 Tracers 選單項（圖 2 ）。

圖 1. Kernel hacking

圖 2. Tracers

進入 Tracers 選單下，可以看到核心支援的跟蹤器列表。如圖 3 所示，這裡選中了所有的跟蹤器，讀者可以根據自己的需要選中特定的跟蹤器。

圖 3. 核心支援的跟蹤器列表

這裡要注意，如果是在 32 位 x86 機器上，編譯時不要選中 General setup 選單項（圖 4 ）下的 Optimize for size 選項（圖 5 ），否則就無法看到圖 3 中的 Kernel Function Graph Tracer 選項。這是因為在 Konfig 檔案中，針對 32 位 x86 機器，表項 FUNCTION_GRAPH_TRACER 有一個特殊的依賴條件：

        depends on !X86_32 || !CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE

圖 4. General setup

圖 5. Optimize for size

ftrace 通過 debugfs 向用戶態提供了訪問介面，所以還需要將 debugfs 編譯進核心。啟用對 debugfs 的支援，可以直接編輯核心配置檔案 .config ，設定 CONFIG_DEBUG_FS=y ；或者在 make menuconfig 時到 Kernel hacking 選單下選中對 debugfs 檔案系統的支援，如圖 6 所示。

圖 6. debugfs 編譯選項

配置完成後，編譯安裝新核心，然後啟動到新核心。 注意，啟用 ftrace 支援後，編譯核心時會使用編譯器的 -pg 選項，這是在 kernel/trace/Makefile 檔案中定義的，如清單 2 所示。

清單 2. 啟用編譯選項 -pg

 ifdef CONFIG_FUNCTION_TRACER 
 ORIG_CFLAGS := $(KBUILD_CFLAGS) 
 KBUILD_CFLAGS = $(subst -pg,,$(ORIG_CFLAGS)) 
 ... 
 endif 
 ...

使用 -pg 選項會在編譯得到的核心映像中加入大量的除錯資訊。一般情況下，只是在開發測試階段啟用 ftrace 支援，以除錯核心，修復 bug 。最終用於發行版的核心則會關閉 -pg 選項，也就無法使用 ftrace。

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通過 debugfs 訪問 ftrace

ftrace 通過 debugfs 向用戶態提供訪問介面。配置核心時啟用 debugfs 後會建立目錄 /sys/kernel/debug ，debugfs 檔案系統就是掛載到該目錄。要掛載該目錄，需要將如下內容新增到 /etc/fstab 檔案：

        debugfs  /sys/kernel/debug  debugfs  defaults  0  0

或者可以在執行時掛載：

        mount  -t  debugfs  nodev  /sys/kernel/debug

啟用核心對 ftrace 的支援後會在 debugfs 下建立一個 tracing 目錄 /sys/kernel/debug/tracing 。該目錄下包含了 ftrace 的控制和輸出檔案，如圖 7 所示。根據編譯核心時針對 ftrace 的設定不同，該目錄下實際顯示的檔案和目錄與這裡也會不同。

圖 7. tracing 目錄下的檔案

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ftrace 的資料檔案

/sys/kernel/debug/trace 目錄下檔案和目錄比較多，有些是各種跟蹤器共享使用的，有些是特定於某個跟蹤器使用的。在操作這些資料檔案時，通常使用 echo 命令來修改其值，也可以在程式中通過檔案讀寫相關的函式來操作這些檔案的值。下面只對部分檔案進行描述，讀者可以參考核心原始碼包中 Documentation/trace 目錄下的文件以及 kernel/trace 下的原始檔以瞭解其餘檔案的用途。

• README檔案提供了一個簡短的使用說明，展示了 ftrace 的操作命令序列。可以通過 cat 命令檢視該檔案以瞭解概要的操作流程。
• current_tracer用於設定或顯示當前使用的跟蹤器；使用 echo 將跟蹤器名字寫入該檔案可以切換到不同的跟蹤器。系統啟動後，其預設值為 nop ，即不做任何跟蹤操作。在執行完一段跟蹤任務後，可以通過向該檔案寫入 nop 來重置跟蹤器。
• available_tracers記錄了當前編譯進核心的跟蹤器的列表，可以通過 cat 檢視其內容；其包含的跟蹤器與圖 3 中所啟用的選項是對應的。寫 current_tracer 檔案時用到的跟蹤器名字必須在該檔案列出的跟蹤器名字列表中。
• trace檔案提供了檢視獲取到的跟蹤資訊的介面。可以通過 cat 等命令檢視該檔案以檢視跟蹤到的核心活動記錄，也可以將其內容儲存為記錄檔案以備後續檢視。
• tracing_enabled用於控制 current_tracer 中的跟蹤器是否可以跟蹤核心函式的呼叫情況。寫入 0 會關閉跟蹤活動，寫入 1 則啟用跟蹤功能；其預設值為 1 。
• set_graph_function設定要清晰顯示呼叫關係的函式，顯示的資訊結構類似於 C 語言程式碼，這樣在分析核心運作流程時會更加直觀一些。在使用 function_graph 跟蹤器時使用；預設為對所有函式都生成呼叫關係序列，可以通過寫該檔案來指定需要特別關注的函式。
• buffer_size_kb用於設定單個 CPU 所使用的跟蹤快取的大小。跟蹤器會將跟蹤到的資訊寫入快取，每個 CPU 的跟蹤快取是一樣大的。跟蹤快取實現為環形緩衝區的形式，如果跟蹤到的資訊太多，則舊的資訊會被新的跟蹤資訊覆蓋掉。注意，要更改該檔案的值需要先將 current_tracer 設定為 nop 才可以。
• tracing_on用於控制跟蹤的暫停。有時候在觀察到某些事件時想暫時關閉跟蹤，可以將 0 寫入該檔案以停止跟蹤，這樣跟蹤緩衝區中比較新的部分是與所關注的事件相關的；寫入 1 可以繼續跟蹤。
• available_filter_functions記錄了當前可以跟蹤的核心函式。對於不在該檔案中列出的函式，無法跟蹤其活動。
• set_ftrace_filter和 set_ftrace_notrace在編譯核心時配置了動態 ftrace （選中 CONFIG_DYNAMIC_FTRACE 選項）後使用。前者用於顯示指定要跟蹤的函式，後者則作用相反，用於指定不跟蹤的函式。如果一個函式名同時出現在這兩個檔案中，則這個函式的執行狀況不會被跟蹤。這些檔案還支援簡單形式的含有萬用字元的表示式，這樣可以用一個表示式一次指定多個目標函式；具體使用在後續文章中會有描述。注意，要寫入這兩個檔案的函式名必須可以在檔案 available_filter_functions 中看到。預設為可以跟蹤所有核心函式，檔案 set_ftrace_notrace 的值則為空。

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ftrace 跟蹤器

ftrace 當前包含多個跟蹤器，用於跟蹤不同型別的資訊，比如程序排程、中斷關閉等。可以檢視檔案 available_tracers 獲取核心當前支援的跟蹤器列表。在編譯核心時，也可以看到核心支援的跟蹤器對應的選項，如之前圖 3 所示。

• nop跟蹤器不會跟蹤任何核心活動，將 nop 寫入 current_tracer 檔案可以刪除之前所使用的跟蹤器，並清空之前收集到的跟蹤資訊，即重新整理 trace 檔案。
• function跟蹤器可以跟蹤核心函式的執行情況；可以通過檔案 set_ftrace_filter 顯示指定要跟蹤的函式。
• function_graph跟蹤器可以顯示類似 C 原始碼的函式呼叫關係圖，這樣檢視起來比較直觀一些；可以通過檔案 set_grapch_function 顯示指定要生成呼叫流程圖的函式。
• sched_switch跟蹤器可以對核心中的程序排程活動進行跟蹤。
• irqsoff跟蹤器和 preemptoff跟蹤器分別跟蹤關閉中斷的程式碼和禁止程序搶佔的程式碼，並記錄關閉的最大時長，preemptirqsoff跟蹤器則可以看做它們的組合。

ftrace 還支援其它一些跟蹤器，比如 initcall、ksym_tracer、mmiotrace、sysprof 等。ftrace 框架支援擴充套件新增新的跟蹤器。讀者可以參考核心原始碼包中 Documentation/trace 目錄下的文件以及 kernel/trace 下的原始檔，以瞭解其它跟蹤器的用途和如何新增新的跟蹤器。

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小結

本系列文章對 ftrace 的配置和使用進行了介紹。本文是其中的第一部分，介紹了 ftrace 的編譯配置、使用者態訪問 ftrace 的介面和 ftrace 的資料檔案，並對 ftrace 所提供的部分跟蹤器的用途進行了描述。由於篇幅的限制，本文沒有對 ftrace 的具體使用和如何在程式碼中與 ftrace 進行互動進行描述，這些內容將分別在本系列文章的後續篇章中給出。

文章連結：

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-ftrace1/index.html?ca=drs-