为什么使用BPF工具分析性能？

性能工具之所以使用扩展的BPF，部分原因在于它的可编程性。BPF程序可以执行自定义等待时间计算和统计摘要。仅这些功能就可以构成一个有趣的工具，并且还有许多其他具有这些功能的跟踪工具。使BPF与众不同的是，它还高效且生产安全，并且内置于Linux内核中。使用BPF，您可以在生产环境中运行这些工具，而无需添加任何新的内核组件。

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让我们看一些输出和一个图表，以了解性能工具如何使用BPF。该示例来自我发布的早期BPF工具bitehist，该工具以直方图的形式显示了磁盘I/O的大小：

关键的变化是直方图可以在内核上下文中生成，这大大减少了复制到用户空间的数据量。这种效率的提高是如此之大，以至于它可以允许工具在生产中运行，否则这些工具将太昂贵。详细地：

在BPF之前，生成此直方图摘要的完整步骤为：

1.    在内核中：为磁盘I / O事件启用检测。

2.    在内核中，对于每个事件：将一条记录写入perf缓冲区。如果使用跟踪点(首选)，则记录包含有关磁盘I / O的元数据的几个字段。

3.    在用户空间中：定期将所有事件的缓冲区复制到用户空间。

4.    在用户空间中：遍历每个事件，为字节字段解析事件元数据。其他字段将被忽略。

5.    在用户空间中：生成字节字段的直方图摘要。

注意：这些是可用的最佳步骤，但它们并没有显示唯一的方法。您可以安装树外跟踪器(例如SystemTap)，但是根据您的内核和发行版，这可能会很艰难。您也可以修改内核代码，或开发自定义kprobe模块，但是这两种方法都涉及挑战，并带来风险。我开发了自己的解决方法，称为“ hacktogram”，其中涉及为直方图的每一行创建多个带范围过滤器的perf(1)统计计数器[16]。那太差了。

步骤2到步骤4对于高I / O系统具有高性能开销。想象一下，每秒传输10,000个磁盘I / O跟踪记录到用户空间程序以进行分析和汇总。

使用BPF，bitesize程序的步骤为：

1.    在内核中：启用对磁盘I / O事件的检测，并附加一个由bitesize定义的自定义BPF程序。

2.    在内核中，对于每个事件：运行BPF程序。它仅获取字节字段，并将其保存到自定义BPF映射直方图中。

3.    在用户空间中：一次读取BPF地图直方图并打印出来。

此方法避免了将事件复制到用户空间并对其进行重新处理的开销。它还避免了复制未使用的元数据字段。复制到用户空间的唯一数据显示在上一个输出中：“ count”列，它是数字数组。