# 使用 DTrace 和 SystemTap 檢測 CPython

作者:

  David Malcolm

作者:

  Łukasz Langa

DTrace 和 SystemTap 都是監測工具，各自都提供了一種檢查電腦系統之行程 (process) 正在執行什麼操作的方法。它們都使用了領域限定 (domain-specific) 的語言，允許使用者編寫以下腳本：

- 過濾要觀察的行程

- 收集來自感興趣之行程的資料

- 以這些資料產生報告

從 Python 3.6 開始，CPython 可以使用嵌入式「標記 (marker)」（也稱為「探針 (probe)」）建置，可以透過 DTrace 或 SystemTap 腳本進行觀察，從而更輕鬆地監視系統之 CPython 行程正在執行的操作。

CPython 實作細節： DTrace 標記是 CPython 直譯器的實作細節。不保證 CPython 版本之間的探針相容性。更改 CPython 版本時，DTrace 腳本可能會停止運作或錯誤地運作，而不會發出警告。

## 啟用靜態標記

macOS 內建了對 DTrace 的支援。在 Linux 上，為了建置帶有 SystemTap 嵌入標記的 CPython，必須安裝 SystemTap 開發工具。

在 Linux 機器上，這可以透過以下方式完成：

    $ yum install systemtap-sdt-devel

或是：

    $ sudo apt-get install systemtap-sdt-dev

然後 CPython 必須使用`配置 --with-dtrace 選項`：

    checking for --with-dtrace... yes

在 macOS 上，你可以透過在後台運行 Python 行程並列出 Python 發布者 (provider) 所提供的所有可用探針，以列出可用的 DTrace 探針：

    $ 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，你可以透過查看二進位建置檔案中是否包含 ".note.stapsdt" 部分來驗證 SystemTap 靜態標記是否存在。

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

如果你已將 Python 建置為共享函式庫（使用 `--enable-shared` 配置選項），則需要在共享函式庫中查找。例如：

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

足夠現代化的 readelf 可以印出元資料 (metadata)：

    $ 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

上述元資料包含 SystemTap 的資訊，描述了它如何修補策略性放置的機器碼指令以啟用 SystemTap 腳本使用的追蹤 hook。

## 靜態 DTrace 探針

以下範例示範 DTrace 腳本可用於顯示 Python 腳本的呼叫/回傳階層結構，僅在名為 "start" 的函式的呼叫內進行追蹤。換句話說，引入時的函式呼叫不會被列出：

    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;
    }

可以這樣呼叫：

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

輸出如下所示：

    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

## 靜態 SystemTap 標記

使用 SystemTap 整合的低階方法是直接使用靜態標記。這會需要你明確聲明包含它們的二進位檔案。

例如，此 SystemTap 腳本可用於顯示 Python 腳本的呼叫/回傳階層結構：

    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);
    }

可以這樣呼叫：

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

輸出如下所示：

    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

其中的行 (column) 是：

- 自腳本開始以來的時間（以微秒為單位）

- 可執行檔案的名稱

- 行程的 PID

其餘部分表示腳本執行時的呼叫/回傳階層結構。

對於以 `--enable-shared` 建置的 CPython，標記被包含在 libpython 共享函式庫中，並且探針的帶點路徑 (dotted path) 需要反映這一點。例如，上面範例中的這一列：

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

應該改為讀取：

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

（假設 CPython 3.6 的除錯建置版本）

## 可用的靜態標記

function__entry(str filename, str funcname, int lineno)

  該標記表示 Python 函式的執行已經開始。它僅針對純 Python（位元組碼）函式觸發。

  檔案名稱、函式名稱和列號作為位置引數提供給追蹤腳本，必須使用 `$arg1`、`$arg2`、`$arg3` 來存取：

  > - `$arg1` : `(const char *)` 檔案名稱，可使用 `user_string($arg1)` 存取

  > - `$arg2` ：`(const char *)` 函式名稱，可使用 `user_string($arg2)` 存取

  > - `$arg3` : `int` 列號

function__return(str filename, str funcname, int lineno)

  該標記與 `function__entry()` 相反，表示 Python 函式的執行已結束（透過 `return` 或透過例外）。它僅針對純 Python（位元組碼）函式觸發。

  引數與 `function__entry()` 相同

line(str filename, str funcname, int lineno)

  該標記表示一列 Python 即將被執行。它相當於使用 Python 分析器來逐行追蹤。它不在 C 函式內觸發。

  引數與 `function__entry()` 相同。

gc__start(int generation)

  當 Python 直譯器開始垃圾回收 (garbage collection) 週期時觸發。`arg0` 是要掃描的一代 (generation)，如 `gc.collect()`。

gc__done(long collected)

  當 Python 直譯器完成垃圾回收週期時觸發。`arg0` 是收集到的物件數量。

import__find__load__start(str modulename)

  在 `importlib` 嘗試查找並載入模組之前觸發。`arg0` 是模組名稱。

  Added in version 3.7.

import__find__load__done(str modulename, int found)

  在呼叫 `importlib` 的 find_and_load 函式後觸發。 `arg0` 是模組名稱，`arg1` 代表模組是否已成功載入。

  Added in version 3.7.

audit(str event, void *tuple)

  當呼叫 `sys.audit()` 或 `PySys_Audit()` 時觸發。`arg0` 是 C 字串形式的事件名稱，`arg1` 是指向元組 (tuple) 物件的 `PyObject` 指標。

  Added in version 3.8.

## SystemTap Tapsets

使用 SystemTap 整合的高階方法是使用 "tapset"：SystemTap 相當於一個函式庫，它隱藏了靜態標記的一些低階詳細資訊。

這是一個 tapset 檔案，是基於 CPython 的非共享建置版本：

    /*
       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
    }

如果此檔案是安裝在 SystemTap 的 tapset 目錄中（例如 `/usr/share/systemtap/tapset`），則這些額外的探測點將可被使用：

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

  該探測點表示 Python 函式的執行已經開始。它僅針對純 Python（位元組碼）函式觸發。

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

  這個探測點與 `python.function.return` 相反，表示 Python 函式的執行已經結束（透過 `return` 或者透過例外）。它僅針對純 Python（位元組碼）函式觸發。

## 範例

此 SystemTap 腳本使用上面的 tapset 來更清晰地實作上面給出的追蹤 Python 函式呼叫階層結構的範例，而無需直接命名靜態標記：

    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);
    }

以下腳本使用上面的 tapset 來提供所有正在運行之 CPython 程式碼的近乎最高層視角，顯示整個系統中每秒最常被進入的 20 個位元組碼幀 (bytecode frame)：

    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;
    }