Instrumentando o CPython com DTrace e SystemTap
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autor:
   David Malcolm

autor:
   Łukasz Langa

DTrace e SystemTap são ferramentas de monitoramento, cada uma
fornecendo uma maneira de inspecionar o que os processos em um sistema
de computador estão fazendo. Ambas usam linguagens específicas de
domínio, permitindo que um usuário escreva scripts que:

   * filtrar quais processos devem ser observados

   * coletem dados dos processos de interesse

   * gerem relatórios sobre os dados

A partir do Python 3.6, o CPython pode ser criado com "marcadores"
incorporados, também conhecidos como "sondas" (*probes*), que podem
ser observados por um script DTrace ou SystemTap, facilitando o
monitoramento do que os processos CPython em um sistema estão fazendo.

**Detalhes da implementação do CPython:** Os marcadores DTrace são
detalhes de implementação do interpretador CPython. Não há garantias
sobre a compatibilidade de sondas entre versões do CPython. Os scripts
DTrace podem parar de funcionar ou funcionar incorretamente sem aviso
ao alterar as versões do CPython.


Habilitando os marcadores estáticos
===================================

O macOS vem com suporte embutido para DTrace. No Linux, para construir
o CPython com os marcadores incorporados para SystemTap, as
ferramentas de desenvolvimento SystemTap devem ser instaladas.

Em uma máquina Linux, isso pode ser feito via:

   $ yum install systemtap-sdt-devel

ou:

   $ sudo apt-get install systemtap-sdt-dev

O CPython deve então ser "configurado com a opção --with-dtrace":

   checking for --with-dtrace... yes

No macOS, você pode listar as sondas DTrace disponíveis executando um
processo Python em segundo plano e listando todas as sondas
disponibilizadas pelo provedor 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

No Linux, você pode verificar se os marcadores estáticos do SystemTap
estão presentes no binário compilado, observando se ele contém uma
seção ".note.stapsdt".

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

Se você construiu o Python como uma biblioteca compartilhada (com a
opção de configuração "--enable-shared"), você precisa procurar dentro
da biblioteca compartilhada. Por exemplo:

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

Um readelf moderno o suficiente pode exibir os metadados:

   $ 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

Os metadados acima contêm informações sobre o SystemTap descrevendo
como ele pode corrigir instruções de código de máquina
estrategicamente posicionadas para habilitar os ganchos de
rastreamento usados por um script do SystemTap.


Sondas estáticas do DTtrace
===========================

O script DTrace de exemplo a seguir pode ser usado para mostrar a
hierarquia de chamada/retorno de um script Python, rastreando apenas
dentro da invocação de uma função chamada "start". Em outras palavras,
invocações de função em tempo de importação não serão listadas:

   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;
   }

Pode ser invocado assim:

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

O resultado deve ser algo assim:

   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


Marcadores estáticos do SystemTap
=================================

A maneira de baixo nível de usar a integração do SystemTap é usar os
marcadores estáticos diretamente. Isso requer que você declare
explicitamente o arquivo binário que os contém.

Por exemplo, este script SystemTap pode ser usado para mostrar a
hierarquia de chamada/retorno de um 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);
   }

Pode ser invocado assim:

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

O resultado deve ser algo assim:

   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

sendo as colunas:

   * tempo em microssegundos desde o início do script

   * nome do executável

   * PID do processo

e o restante indica a hierarquia de chamada/retorno conforme o script
é executado.

Para uma construção com "--enable-shared" do CPython, os marcadores
estão contidos na biblioteca compartilhada libpython, e o caminho
pontilhado da sonda precisa refletir isso. Por exemplo, esta linha do
exemplo acima:

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

deve ler-se em vez disso:

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

(presumindo uma construção de depuração do CPython 3.6)


Marcadores estáticos disponíveis
================================

function__entry(str filename, str funcname, int lineno)

   Este marcador indica que a execução de uma função Python começou.
   Ele é acionado somente para funções Python puro (bytecode).

   O nome do arquivo, o nome da função e o número da linha são
   fornecidos de volta ao script de rastreamento como argumentos
   posicionais, que devem ser acessados usando "$arg1", "$arg2",
   "$arg3":

      * "$arg1" : nome de arquivo como "(const char *)", acessível
        usando "user_string($arg1)"

      * "$arg2" : nome da função como "(const char *)", acessível
        usando "user_string($arg2)"

      * "$arg3" : número da linha como "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)

   Este marcador indica que uma linha Python está prestes a ser
   executada. É o equivalente ao rastreamento linha por linha com um
   perfilador Python. Ele não é acionado dentro de funções C.

   The arguments are the same as for "function__entry()".

gc__start(int generation)

   Fires when the Python interpreter starts a garbage collection
   cycle. "arg0" is the generation to scan, like "gc.collect()".

gc__done(long collected)

   Dispara quando o interpretador Python termina um ciclo de coleta de
   lixo. "arg0" é o número de objetos coletados.

import__find__load__start(str modulename)

   Dispara antes de "importlib" tentar encontrar e carregar o módulo.
   "arg0" é o nome do módulo.

   Novo na versão 3.7.

import__find__load__done(str modulename, int found)

   Dispara após a função find_and_load do "importlib" ser chamada.
   "arg0" é o nome do módulo, "arg1" indica se o módulo foi carregado
   com sucesso.

   Novo na versão 3.7.

audit(str event, void *tuple)

   Dispara quando "sys.audit()" ou "PySys_Audit()" é chamada. "arg0" é
   o nome do evento como string C, "arg1" é um ponteiro "PyObject"
   para um objeto tupla.

   Novo na versão 3.8.


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

A maneira mais avançada de usar a integração do SystemTap é usar um
"tapset": o equivalente do SystemTap a uma biblioteca, que oculta
alguns dos detalhes de nível inferior dos marcadores estáticos.

Aqui está um arquivo tapset, baseado em uma construção não
compartilhada do 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
   }

Se este arquivo for instalado no diretório de tapsets do SystemTap
(por exemplo, "/usr/share/systemtap/tapset"), estes pontos de sondagem
adicionais ficarão disponíveis:

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

   Este ponto de sondagem indica que a execução de uma função Python
   começou. Ele é acionado somente para funções Python puro
   (bytecode).

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

   Este ponto de sondagem é o inverso de "python.function.return", e
   indica que a execução de uma função Python terminou (seja via
   "return", ou via uma exceção). Ele é acionado somente para funções
   Python puro (bytecode).


Exemplos
========

Este script SystemTap usa o tapset acima para implementar de forma
mais limpa o exemplo dado acima de rastreamento da hierarquia de
chamada de função Python, sem precisar na diretamente

   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);
   }

O script a seguir usa o tapset acima para fornecer uma visão geral de
todo o código CPython em execução, mostrando os 20 quadros de bytecode
mais frequentemente inseridos, a cada segundo, em todo o sistema:

   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;
   }
