Глава 27. DTrace

DTrace, также известный как Dynamic Tracing, был разработан Sun™ в качестве инструмента для выявления узких мест в производительности рабочих и предпроизводственных систем. Помимо диагностики проблем с производительностью, DTrace можно использовать для исследования и отладки неожиданного поведения как в ядре FreeBSD, так и в пользовательских программах.

DTrace — это выдающийся инструмент для профилирования, обладающий впечатляющим набором возможностей для диагностики проблем в системе. Его также можно использовать для запуска предварительно написанных скриптов, чтобы воспользоваться его функциональностью. Пользователи могут создавать собственные утилиты, используя язык DTrace D, что позволяет настраивать профилирование в соответствии с конкретными потребностями.

Реализация FreeBSD обеспечивает полную поддержку DTrace в ядре и экспериментальную поддержку DTrace в пользовательском пространстве. DTrace в пользовательском пространстве позволяет пользователям выполнять трассировку границ функций для программ пользовательского пространства с использованием провайдера pid, а также вставлять статические зонды в программы пользовательского пространства для последующей трассировки. Некоторые порты, такие как databases/postgresql12-server и lang/php74, имеют опцию DTrace для включения статических зондов.

Официальное руководство по DTrace поддерживается проектом illumos по адресу illumos Dynamic Tracing Guide.

Прочитайте эту главу, чтобы узнать:

Прежде чем читать эту главу, необходимо:

В то время как DTrace в FreeBSD схож с тем, что представлен в Solaris™, различия существуют. Основное различие заключается в том, что в FreeBSD DTrace реализован в виде набора модулей ядра, и DTrace нельзя использовать до загрузки этих модулей. Чтобы загрузить все необходимые модули:

Начиная с FreeBSD 10.0-RELEASE, модули автоматически загружаются при запуске dtrace(1).

FreeBSD использует параметр ядра DDB_CTF для включения поддержки загрузки данных ctf(5) из модулей ядра и самого ядра. CTF — это Compact C Type Format от Solaris™, который инкапсулирует упрощённую форму отладочной информации, аналогичную DWARF и устаревшему stabs. Данные CTF добавляются в бинарные файлы с помощью инструментов сборки ctfconvert(1) и ctfmerge(1). Утилита ctfconvert обрабатывает отладочные секции DWARFELF, созданные компилятором, а ctfmerge объединяет секции CTFELF из объектных файлов в исполняемые файлы или разделяемые библиотеки.

В FreeBSD есть некоторые провайдеры, которых нет в Solaris™. Наиболее примечательным является провайдер dtmalloc, который позволяет трассировать malloc(9) по типам в ядре FreeBSD. Некоторые провайдеры, присутствующие в Solaris™, такой как cpc, отсутствуют в FreeBSD. Они могут появиться в будущих версиях FreeBSD. Кроме того, некоторые провайдеры, доступные в обеих операционных системах, несовместимы в том смысле, что их пробы имеют разные типы аргументов. Таким образом, скрипты D, написанные для Solaris™, могут работать или не работать без изменений в FreeBSD, и наоборот.

Из-за различий в безопасности, только пользователь root может использовать DTrace в FreeBSD. В Solaris™ есть несколько проверок безопасности низкого уровня, которые пока отсутствуют в FreeBSD. Поэтому доступ к /dev/dtrace/dtrace строго ограничился только пользователем root.

DTrace распространяется под лицензией Common Development and Distribution License (CDDL). Чтобы ознакомиться с текстом этой лицензии в FreeBSD, см. /usr/src/cddl/contrib/opensolaris/OPENSOLARIS.LICENSE или просмотрите её онлайн по адресу http://opensource.org/licenses/CDDL-1.0. Хотя ядро FreeBSD с поддержкой DTrace лицензировано под BSD, лицензия CDDL применяется при распространении модулей в бинарной форме или при загрузке бинарных файлов.

В FreeBSD 9.2 и 10.0 поддержка DTrace встроена в ядро GENERIC. Пользователям более ранних версий FreeBSD или тем, кто предпочитает статически компилировать поддержку DTrace, следует добавить следующие строки в пользовательский конфигурационный файл ядра и перекомпилировать ядро, следуя инструкциям в Настройка ядра FreeBSD:

Пользователи архитектуры AMD64 также должны добавить эту строку:

Эта опция обеспечивает поддержку dtrace_fbt(4). Хотя DTrace будет работать без этой опции, поддержка трассировки входов и выходов функций будет ограничена.

После перезагрузки системы FreeBSD с новым ядром или загрузки модулей DTrace с помощью kldload dtraceall, установите текущий DTrace Toolkit (sysutils/dtrace-toolkit) — набор готовых скриптов для сбора системной информации. Включает скрипты для проверки открытых файлов, использования памяти, загрузки CPU и многое другое. Некоторые скрипты также присутствуют в базовой системе FreeBSD — см. /usr/share/dtrace.

Набор инструментов DTrace включает множество скриптов на специальном языке DTrace. Этот язык называется D и очень похож на C++. Подробное обсуждение языка выходит за рамки данного документа. Обратитесь к странице d(7) для обзора языка D в FreeBSD. Язык D также подробно рассмотрен в illumos Dynamic Tracing Guide.

Чтобы добавить поддержку DTrace во внешний модуль ядра, что полезно для разработки и отладки, включите следующую строку в Makefile модуля:

Этот флаг включает DTrace-хуки во время компиляции, позволяя проводить расширенную отладку и мониторинг модуля. Убедитесь, что модуль перекомпилирован после этого изменения, чтобы активировать функциональность DTrace.

Скрипты DTrace состоят из списка одного или нескольких проб (точек инструментирования), где каждая проба связана с действием. Когда условие для пробы выполняется, запускается соответствующее действие. Например, действие может происходить при открытии файла, запуске процесса или выполнении строки кода. Действие может заключаться в записи некоторой информации или изменении контекстных переменных. Чтение и запись контекстных переменных позволяют пробам обмениваться информацией и совместно анализировать взаимосвязь различных событий.

Для просмотра всех проб администратор может выполнить следующую команду:

У каждого зонда есть ID, PROVIDER (например, dtrace или fbt), MODULE и FUNCTION NAME. Дополнительную информацию об этой команде можно найти в dtrace(1).

Примеры в этом разделе дают общее представление о том, как использовать два полностью поддерживаемых скрипта из DTrace Toolkit: hotkernel и procsystime.

Скрипт hotkernel предназначен для определения функции, которая использует наибольшее время ядра. Он выводит информацию, похожую на следующую:

Как указано, используйте комбинацию клавиш Ctrl+C, чтобы остановить процесс. После завершения скрипт отобразит список функций ядра и информацию о времени, сортируя вывод в порядке возрастания времени:

Этот скрипт также работает с модулями ядра. Чтобы использовать эту возможность, запустите скрипт с ключом -m:

Скрипт procsystime захватывает и выводит время использования системных вызовов для заданного идентификатора процесса (PID) или имени процесса. В следующем примере был создан новый экземпляр /bin/csh. Затем был запущен procsystime, который оставался в ожидании, пока в другом экземпляре csh было набрано несколько команд. Вот результаты этого теста:

Как показано, системный вызов read(2) использовал наибольшее время в наносекундах, тогда как системный вызов getpid(2) использовал наименьшее количество времени.