# 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)

  This marker is the converse of `function__entry()`, and indicates that execution of a Python function has ended (either via `return`, or via an exception). It is only triggered for pure-Python (bytecode) functions.

  The arguments are the same as for `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.

  The arguments are the same as for `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;
    }