# 使用 DTrace 和 SystemTap 检测CPython

作者

  David Malcolm

作者

  Łukasz Langa

DTrace和SystemTap是监视工具，每个工具都提供了一种检查计算机系统上的进程正在执行的操作的方法。 它们都使用特定于域的语言，允许用户编写以下脚本：

> - 进程监视的过滤器

> - 从感兴趣的进程中收集数据

> - 生成有关数据的报告

从Python 3.6开始，CPython可以使用嵌入式“标记”构建，也称为“探测器”，可以通过DTrace或SystemTap脚本观察，从而更容易监视系统上的CPython进程正在做什么。

CPython implementation detail: DTrace标记是CPython解释器的实现细节。 不保证CPython版本之间的探针兼容性。 更改CPython版本时，DTrace脚本可能会停止工作或无法正常工作而不会发出警告。

## 启用静态标记

macOS内置了对DTrace的支持。 在Linux上，为了使用SystemTap的嵌入式标记构建CPython，必须安装SystemTap开发工具。

在Linux机器上，这可以通过：

    $ yum install systemtap-sdt-devel

或者：

    $ sudo apt-get install systemtap-sdt-dev

然后必须将CPython配置为``--with-dtrace``：

    checking for --with-dtrace... yes

在macOS上，您可以通过在后台运行Python进程列出可用的DTrace探测器，并列出Python程序提供的所有探测器：

    $ 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

在Linux上，您可以通过查看是否包含“.note.stapsdt”部分来验证构建的二进制文件中是否存在SystemTap静态标记。

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

如果您已将Python构建为共享库（使用--enable-shared），则需要在共享库中查找。 例如：

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

足够现代的readelf命令可以打印元数据：

    $ 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

上述元数据包含SystemTap的信息，描述如何修补策略性放置的机器代码指令以启用SystemTap脚本使用的跟踪钩子。

## 静态DTrace探针

下面的 DTrace 脚本示例可以用来显示一个 Python 脚本的调用/返回层次结构，只在调用名为 "start" 的函数内进行跟踪。换句话说，导入时的函数调用不会被列出。

    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;
    }

它可以这样调用:

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

输出结果会像这样:

    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

## 静态SystemTap标记

使用 SystemTap 集成的底层方法是直接使用静态标记。 这需要你显式地说明包含它们的二进制文件。

例如，这个SystemTap脚本可以用来显示Python脚本的调用/返回层次结构：

    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);
    }

它可以这样调用:

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

输出结果会像这样:

    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

其中的列是：

> - 脚本开始后经过的微秒数

> - 可执行文件的名字

> - 进程的PID

其余部分则表示脚本执行时的调用/返回层次结构。

对于 --enable-shared 构建的CPython来说，这些标记是包含在libpython共享库中的，探针的点状路径需要反映这一点。比如上面例子中的这一行：

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

应改为：

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

（假设是 CPython 3.6 的调试构建）

## 可用的静态标记

`function__entry`(str filename, str funcname, int lineno)

  这个标记表示一个Python函数的执行已经开始。它只对纯 Python （字节码）函数触发。

  文件名、函数名和行号作为定位参数提供给跟踪脚本，必须使用 `$arg1`, `$arg2`, `$arg3` 访问：

  > - `$arg1` : `(const char *)` 文件名，使用 `user_string($arg1)` 访问

  > - `$arg2` : `(const char *)` 函数名，使用 `user_string($arg2)` 访问

  > - `$arg3` : `int` 行号

`function__return`(str filename, str funcname, int lineno)

  这个标记与 `function__entry()` 相反，表示Python函数的执行已经结束 (通过 return 或者异常)。 它只对纯Python (字节码) 函数触发。

  参数和 `function__entry()` 相同

`line`(str filename, str funcname, int lineno)

  这个标记表示一个 Python 行即将被执行。它相当于用 Python 分析器逐行追踪。它不会在C函数中触发。

  参数和 `function__entry()` 相同

`gc__start`(int generation)

  当Python解释器启动一个垃圾回收循环时被触发。 `arg0` 是要扫描的生成器，如 `gc.collect()`。

`gc__done`(long collected)

  当Python解释器完成一个垃圾收集循环时被触发。`arg0` 是收集到的对象的数量。

`import__find__load__start`(str modulename)

  在 `importlib` 试图查找并加载模块之前被触发。`arg0` 是模块名称。

  3.7 新版功能.

`import__find__load__done`(str modulename, int found)

  在 `importlib` 的 find_and_load 函数被调用后被触发 。`arg0` 是模块名称， `arg1` 表示模块是否成功加载。

  3.7 新版功能.

## SystemTap Tapsets

使用SystemTap集成的更高层次的方法是使用 "tapset" 。SystemTap 的等效库，它隐藏了静态标记的一些底层细节。

这里是一个基于 CPython 的非共享构建的 tapset 文件。

    /*
       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
    }

如果这个文件安装在 SystemTap 的 tapset 目录下（例如``/usr/share/systemtap/tapset`` ），那么这些额外的探测点就会变得可用。

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

  这个探针点表示一个Python函数的执行已经开始。它只对纯Python （字节码）函数触发。

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

  这个探针点是 `python.function.return()` 的反义操作，表示一个Python函数的执行已经结束（通过 `return` 或者异常）。 它只对纯Python （字节码）函数触发。

## 例子

这个SystemTap脚本使用上面的tapset来更清晰地实现上面给出的跟踪Python函数调用层次结构的例子，而不需要直接命名静态标记。

    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);
    }

下面的脚本使用上面的tapset提供了所有运行中的CPython代码的顶部视图，显示了整个系统中每一秒钟最频繁输入的前20个字节码帧。

    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;
    }