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。在 3.7 版新加入.
- 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。在 3.7 版新加入.
- 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。在 3.8 版新加入.
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;
}