Instrumenter CPython avec DTrace et SystemTap
*********************************************

auteur:
   David Malcolm

auteur:
   Łukasz Langa

*DTrace* et *SystemTap* sont des outils de surveillance, chacun
fournissant un moyen de d'inspecter ce que font les processus d'un
système informatique. Ils utilisent tous les deux des langages dédiés
permettant à un utilisateur d'écrire des scripts qui permettent de :

   * Filtrer les processus à observer.

   * Recueillir des données sur le processus choisi.

   * Générer des rapports sur les données.

À partir de Python 3.6, CPython peut être compilé avec des « marqueurs
» intégrés, aussi appelés « sondes », qui peuvent être observés par un
script *DTrace* ou *SystemTap*, ce qui facilite le suivi des processus
CPython.

**Particularité de l'implémentation CPython :** Les marqueurs DTrace
sont des détails d'implémentation de l'interpréteur CPython. Aucune
garantie n'est donnée quant à la compatibilité des sondes entre les
versions de CPython. Les scripts DTrace peuvent s'arrêter de
fonctionner ou fonctionner incorrectement sans avertissement lors du
changement de version de CPython.


Activer les marqueurs statiques
===============================

macOS est livré avec un support intégré pour *DTrace*. Sous Linux,
pour construire CPython avec les marqueurs embarqués pour *SystemTap*,
les outils de développement *SystemTap* doivent être installés.

Sur une machine Linux, cela se fait via :

   $ yum install systemtap-sdt-devel

ou :

   $ sudo apt-get install systemtap-sdt-dev

CPython doit être configuré avec l'option "--with-dtrace" :

   checking for --with-dtrace... yes

Sous macOS, vous pouvez lister les sondes *DTrace* disponibles en
exécutant un processus Python en arrière-plan et en listant toutes les
sondes mises à disposition par le fournisseur Python :

   $ python3.6 -q &
   $ sudo dtrace -l -P python$!  # or: dtrace -l -m python3.6

      ID   PROVIDER            MODULE                          FUNCTION NAME
   29564 python18035        python3.6          _PyEval_EvalFrameDefault function-entry
   29565 python18035        python3.6             dtrace_function_entry function-entry
   29566 python18035        python3.6          _PyEval_EvalFrameDefault function-return
   29567 python18035        python3.6            dtrace_function_return function-return
   29568 python18035        python3.6                           collect gc-done
   29569 python18035        python3.6                           collect gc-start
   29570 python18035        python3.6          _PyEval_EvalFrameDefault line
   29571 python18035        python3.6                 maybe_dtrace_line line

Sous Linux, pour vérifier que les marqueurs statiques *SystemTap* sont
présents dans le binaire compilé, il suffit de regarder s'il contient
une section ".note.stapsdt".

   $ readelf -S ./python | grep .note.stapsdt
   [30] .note.stapsdt        NOTE         0000000000000000 00308d78

Si vous avez compilé Python en tant que bibliothèque partagée (avec
l'option "--enable-shared" du script "configure"), vous devez plutôt
regarder dans la bibliothèque partagée. Par exemple :

   $ readelf -S libpython3.3dm.so.1.0 | grep .note.stapsdt
   [29] .note.stapsdt        NOTE         0000000000000000 00365b68

Une version suffisamment moderne de *readelf* peut afficher les
métadonnées :

   $ readelf -n ./python

   Displaying notes found at file offset 0x00000254 with length 0x00000020:
       Owner                 Data size          Description
       GNU                  0x00000010          NT_GNU_ABI_TAG (ABI version tag)
           OS: Linux, ABI: 2.6.32

   Displaying notes found at file offset 0x00000274 with length 0x00000024:
       Owner                 Data size          Description
       GNU                  0x00000014          NT_GNU_BUILD_ID (unique build ID bitstring)
           Build ID: df924a2b08a7e89f6e11251d4602022977af2670

   Displaying notes found at file offset 0x002d6c30 with length 0x00000144:
       Owner                 Data size          Description
       stapsdt              0x00000031          NT_STAPSDT (SystemTap probe descriptors)
           Provider: python
           Name: gc__start
           Location: 0x00000000004371c3, Base: 0x0000000000630ce2, Semaphore: 0x00000000008d6bf6
           Arguments: -4@%ebx
       stapsdt              0x00000030          NT_STAPSDT (SystemTap probe descriptors)
           Provider: python
           Name: gc__done
           Location: 0x00000000004374e1, Base: 0x0000000000630ce2, Semaphore: 0x00000000008d6bf8
           Arguments: -8@%rax
       stapsdt              0x00000045          NT_STAPSDT (SystemTap probe descriptors)
           Provider: python
           Name: function__entry
           Location: 0x000000000053db6c, Base: 0x0000000000630ce2, Semaphore: 0x00000000008d6be8
           Arguments: 8@%rbp 8@%r12 -4@%eax
       stapsdt              0x00000046          NT_STAPSDT (SystemTap probe descriptors)
           Provider: python
           Name: function__return
           Location: 0x000000000053dba8, Base: 0x0000000000630ce2, Semaphore: 0x00000000008d6bea
           Arguments: 8@%rbp 8@%r12 -4@%eax

The above metadata contains information for SystemTap describing how
it can patch strategically placed machine code instructions to enable
the tracing hooks used by a SystemTap script.


Sondes DTrace statiques
=======================

L'exemple suivant de script *DTrace* montre la hiérarchie
d'appel/retour d'un script Python, en ne traçant que l'invocation
d'une fonction "start". En d'autres termes, les appels de fonctions
lors de la phase d'import ne seront pas répertoriées :

   self int indent;

   python$target:::function-entry
   /copyinstr(arg1) == "start"/
   {
           self->trace = 1;
   }

   python$target:::function-entry
   /self->trace/
   {
           printf("%d\t%*s:", timestamp, 15, probename);
           printf("%*s", self->indent, "");
           printf("%s:%s:%d\n", basename(copyinstr(arg0)), copyinstr(arg1), arg2);
           self->indent++;
   }

   python$target:::function-return
   /self->trace/
   {
           self->indent--;
           printf("%d\t%*s:", timestamp, 15, probename);
           printf("%*s", self->indent, "");
           printf("%s:%s:%d\n", basename(copyinstr(arg0)), copyinstr(arg1), arg2);
   }

   python$target:::function-return
   /copyinstr(arg1) == "start"/
   {
           self->trace = 0;
   }

Il peut être utilisé de cette manière :

   $ sudo dtrace -q -s call_stack.d -c "python3.6 script.py"

La sortie ressemble à ceci :

   156641360502280  function-entry:call_stack.py:start:23
   156641360518804  function-entry: call_stack.py:function_1:1
   156641360532797  function-entry:  call_stack.py:function_3:9
   156641360546807 function-return:  call_stack.py:function_3:10
   156641360563367 function-return: call_stack.py:function_1:2
   156641360578365  function-entry: call_stack.py:function_2:5
   156641360591757  function-entry:  call_stack.py:function_1:1
   156641360605556  function-entry:   call_stack.py:function_3:9
   156641360617482 function-return:   call_stack.py:function_3:10
   156641360629814 function-return:  call_stack.py:function_1:2
   156641360642285 function-return: call_stack.py:function_2:6
   156641360656770  function-entry: call_stack.py:function_3:9
   156641360669707 function-return: call_stack.py:function_3:10
   156641360687853  function-entry: call_stack.py:function_4:13
   156641360700719 function-return: call_stack.py:function_4:14
   156641360719640  function-entry: call_stack.py:function_5:18
   156641360732567 function-return: call_stack.py:function_5:21
   156641360747370 function-return:call_stack.py:start:28


Marqueurs statiques *SystemTap*
===============================

La façon la plus simple d'utiliser l'intégration *SystemTap* est
d'utiliser directement les marqueurs statiques. Pour cela vous devez
pointer explicitement le fichier binaire qui les contient.

Par exemple, ce script *SystemTap* peut être utilisé pour afficher la
hiérarchie d'appel/retour d'un script Python :

   probe process("python").mark("function__entry") {
        filename = user_string($arg1);
        funcname = user_string($arg2);
        lineno = $arg3;

        printf("%s => %s in %s:%d\\n",
               thread_indent(1), funcname, filename, lineno);
   }

   probe process("python").mark("function__return") {
       filename = user_string($arg1);
       funcname = user_string($arg2);
       lineno = $arg3;

       printf("%s <= %s in %s:%d\\n",
              thread_indent(-1), funcname, filename, lineno);
   }

Il peut être utilisé de cette manière :

   $ stap \
     show-call-hierarchy.stp \
     -c "./python test.py"

La sortie ressemble à ceci :

   11408 python(8274):        => __contains__ in Lib/_abcoll.py:362
   11414 python(8274):         => __getitem__ in Lib/os.py:425
   11418 python(8274):          => encode in Lib/os.py:490
   11424 python(8274):          <= encode in Lib/os.py:493
   11428 python(8274):         <= __getitem__ in Lib/os.py:426
   11433 python(8274):        <= __contains__ in Lib/_abcoll.py:366

où les colonnes sont :

   * temps en microsecondes depuis le début du script

   * nom de l'exécutable

   * PID du processus

et le reste indique la hiérarchie d'appel/retour lorsque le script
s'exécute.

Pour une compilation "--enable-shared" de CPython, les marqueurs sont
contenus dans la bibliothèque partagée *libpython*, et le chemin du
module de la sonde doit le refléter. Par exemple, la ligne de
l'exemple ci-dessus :

   probe process("python").mark("function__entry") {

doit plutôt se lire comme :

   probe process("python").library("libpython3.6dm.so.1.0").mark("function__entry") {

(en supposant une version de CPython 3.6 compilée avec le débogage
activé)


Marqueurs statiques disponibles
===============================

function__entry(str filename, str funcname, int lineno)

   Ce marqueur indique que l'exécution d'une fonction Python a
   commencé. Il n'est déclenché que pour les fonctions en Python pur
   (code intermédiaire).

   Le nom de fichier, le nom de la fonction et le numéro de ligne sont
   renvoyés au script de traçage sous forme d'arguments positionnels,
   auxquels il faut accéder en utilisant "$arg1", "$arg2", "$arg3" :

      * "$arg1" : "(const char *)" nom de fichier, accessible via
        "user_string($arg1)"

      * "$arg2" : "(const char *)" nom de la fonction, accessible via
        "user_string($arg2)"

      * "$arg3" : numéro de ligne "int"

function__return(str filename, str funcname, int lineno)

   Ce marqueur est l'inverse de "function__entry()", et indique que
   l'exécution d'une fonction Python est terminée (soit via "return",
   soit via une exception). Il n'est déclenché que pour les fonctions
   en Python pur (code intermédiaire).

   Les arguments sont les mêmes que pour "function__entry()"

line(str filename, str funcname, int lineno)

   Ce marqueur indique qu'une ligne Python est sur le point d'être
   exécutée. C'est l'équivalent du traçage ligne par ligne avec un
   profileur Python. Il n'est pas déclenché dans les fonctions C.

   Les arguments sont les mêmes que pour "function__entry()".

gc__start(int generation)

   Fonction appelée lorsque l'interpréteur Python lance un cycle de
   collecte du ramasse-miettes. "arg0" est la génération à scanner,
   comme "gc.collect()".

gc__done(long collected)

   Fonction appelée lorsque l'interpréteur Python termine un cycle de
   collecte du ramasse-miettes. "Arg0" est le nombre d'objets
   collectés.

import__find__load__start(str modulename)

   Fonction appelée avant que "importlib" essaye de trouver et de
   charger le module. "arg0" est le nom du module.

   Nouveau dans la version 3.7.

import__find__load__done(str modulename, int found)

   Fonction appelée après que la fonction "find_and_load" du module
   "importlib" soit appelée. "arg0" est le nom du module, "arg1"
   indique si le module a été chargé avec succès.

   Nouveau dans la version 3.7.

audit(str event, void *tuple)

   Fonction appelée quand les fonctions "sys.audit()" ou
   "PySys_Audit()" sont appelées. "arg0" est le nom de l'évènement de
   type chaîne de caractère C. "arg1" est un pointeur sur un *n*-uplet
   d'objet de type "PyObject".

   Nouveau dans la version 3.8.


*Tapsets* de *SystemTap*
========================

La façon la plus simple d'utiliser l'intégration *SystemTap* est
d'utiliser un *« tapset »*. L'équivalent pour *SystemTap* d'une
bibliothèque, qui permet de masquer les détails de niveau inférieur
des marqueurs statiques.

Voici un fichier *tapset*, basé sur une version non partagée compilée
de CPython :

   /*
      Provide a higher-level wrapping around the function__entry and
      function__return markers:
    \*/
   probe python.function.entry = process("python").mark("function__entry")
   {
       filename = user_string($arg1);
       funcname = user_string($arg2);
       lineno = $arg3;
       frameptr = $arg4
   }
   probe python.function.return = process("python").mark("function__return")
   {
       filename = user_string($arg1);
       funcname = user_string($arg2);
       lineno = $arg3;
       frameptr = $arg4
   }

Si ce fichier est installé dans le répertoire *tapset* de *SystemTap*
(par exemple "/usr/share/systemtap/tapset"), alors ces sondes
supplémentaires deviennent disponibles :

python.function.entry(str filename, str funcname, int lineno, frameptr)

   Cette sonde indique que l'exécution d'une fonction Python a
   commencé. Elle n'est déclenchée que pour les fonctions en Python
   pur (code intermédiaire).

python.function.return(str filename, str funcname, int lineno, frameptr)

   Cette sonde est l'inverse de "python.function.return", et indique
   que l'exécution d'une fonction Python est terminée (soit via
   "return", soit via une exception). Elle est uniquement déclenchée
   pour les fonctions en Python pur (code intermédiaire ou
   *bytecode*).


Exemples
========

Ce script *SystemTap* utilise le *tapset* ci-dessus pour implémenter
plus proprement l'exemple précédent de traçage de la hiérarchie des
appels de fonctions Python, sans avoir besoin de nommer directement
les marqueurs statiques :

   probe python.function.entry
   {
     printf("%s => %s in %s:%d\n",
            thread_indent(1), funcname, filename, lineno);
   }

   probe python.function.return
   {
     printf("%s <= %s in %s:%d\n",
            thread_indent(-1), funcname, filename, lineno);
   }

The following script uses the tapset above to provide a top-like view
of all running CPython code, showing the top 20 most frequently
entered bytecode frames, each second, across the whole system:

   global fn_calls;

   probe python.function.entry
   {
       fn_calls[pid(), filename, funcname, lineno] += 1;
   }

   probe timer.ms(1000) {
       printf("\033[2J\033[1;1H") /* clear screen \*/
       printf("%6s %80s %6s %30s %6s\n",
              "PID", "FILENAME", "LINE", "FUNCTION", "CALLS")
       foreach ([pid, filename, funcname, lineno] in fn_calls- limit 20) {
           printf("%6d %80s %6d %30s %6d\n",
               pid, filename, lineno, funcname,
               fn_calls[pid, filename, funcname, lineno]);
       }
       delete fn_calls;
   }
