使用 ebpf 监控 Node.js 事件循环的耗时

前言：强大的 ebpf 使用越来越广，能做的事情也越来越多，尤其是无侵入的优雅方式更加是技术选型的好选择。本文介绍如何使用 ebpf 来监控 Node.js 的耗时，从而了解 Node.js 事件循环的执行情况。不过这只是粗粒度的监控，想要精细地了解 Node.js 的运行情况，需要做的事情还很多。

在 Node.js 里，我们可以通过 V8 Inspector 的 cpuprofile 来了解 JS 的执行耗时，但是 cpuprofile 无法看到 C、C++ 代码的执行耗时，通常我们可以使用 perf 工具来或许 C、C++ 代码的耗时，不过这里介绍的是通过 ebpf 来实现，不失为一种探索。首先来看一下对 poll io 阶段的监控。先定义一个结构体用于记录耗时。

struct event 
{
    __u64 start_time;
    __u64 end_time; 
};

接着写 bpf 程序。

#include <linux/bpf.h>

#include <linux/ptrace.h>

#include <bpf/bpf_helpers.h>

#include <bpf/bpf_tracing.h>

#include "uv.h"

#include "uv_uprobe.h"



char LICENSE[] SEC("license") = "Dual BSD/GPL";

#define MAX_ENTRIES 10240

// 用于记录数据

struct {

    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_HASH);
    __uint(max_entries, MAX_ENTRIES);
    __type(key, __u32);
    __type(value, const char *);} values SEC(".maps");



// 用于输入数据到用户层

struct {

    __uint(type, BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY);
    __uint(key_size, sizeof(__u32));
    __uint(value_size, sizeof(__u32));} events SEC(".maps");static __u64 id = 0;SEC("uprobe/uv__io_poll")int BPF_KPROBE(uprobe_uv__io_poll, uv_loop_t* loop, int timeout){
    __u64 current_id = id;
    __u64 time = bpf_ktime_get_ns();
    bpf_map_update_elem(&values, &current_id, &time, BPF_ANY);
    return 0;

}



SEC("uretprobe/uv__io_poll")

int BPF_KRETPROBE(uretprobe_uv__io_poll){   
    __u64 current_id

    __u64 current_id = id;
    __u64 *time = bpf_map_lookup_elem(&values, &current_id);
    if (!time) {
        return 0;
    }
    struct event e;
    // 记录开始时间和结束时间
    e.start_time = *time;
    e.end_time = bpf_ktime_get_ns();
    // 输出到用户层
    bpf_perf_event_output(ctx, &events, BPF_F_CURRENT_CPU, &e, sizeof(e));
    bpf_map_delete_elem(&values, &current_id);
    id++;
    return 0;

}

最后编写使用 ebpf 程序的代码，只列出核心代码。

#include <errno.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/resource.h>

#include <bpf/libbpf.h>

#include "uv_uprobe.skel.h"

#include "uprobe_helper.h"

#include <signal.h>

#include <bpf/bpf.h>

#include "uv_uprobe.h"

// 输出结果函数

static void handle_event(void *ctx, int cpu, void *data, __u32 data_sz){

    const struct event *e = (const struct event *)data;
    printf("%s %llu\n", "poll io", (e->end_time - e->start_time) / 1000 / 1000);

}



int main(int argc, char **argv){

    struct uv_uprobe_bpf *skel;
    long base_addr, uprobe_offset;
    int err, i;
    struct perf_buffer_opts pb_opts;
    struct perf_buffer *pb = NULL;
    // 监控哪个 Node.js 进程
    char * pid_str = argv[1];
    pid_t pid = (pid_t)atoi(pid_str);
    char execpath[500];
    // 根据 pid 找到 Node.js 的可执行文件
    int ret = get_pid_binary_path(pid, execpath, 500);
    // 需要监控的函数，uv__io_poll 是处理 poll io 阶段的函数
    char * func = "uv__io_poll";
    // 通过可执行文件获得函数的地址
    uprobe_offset = get_elf_func_offset(execpath, func);
    // 加载 bpf 程序到内核
    skel = uv_uprobe_bpf__open();
    err = uv_uprobe_bpf__load(skel);
    // 挂载监控点
    skel->links.uprobe_uv__io_poll = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uprobe_uv__io_poll,
                            false /* not uretprobe */,
                            -1,
                            execpath,
                            uprobe_offset);
    skel->links.uretprobe_uv__io_poll = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uretprobe_uv__io_poll,
                               true /* uretprobe */,
                               -1 /* any pid */,
                               execpath,
                               uprobe_offset);
    // 设置回调处理 bpf 的输出
    pb_opts.sample_cb = handle_event;
    pb_opts.lost_cb = handle_lost_events;
    pb = perf_buffer__new(bpf_map__fd(skel->maps.events), PERF_BUFFER_PAGES,
                  &pb_opts);
    printf("%-7s %-7s\n", "phase", "interval");           
    for (i = 0; ; i++) {
        // 等待 bpf 的输出，然后执行回调处理，基于 epoll 实现
        perf_buffer__poll(pb, PERF_POLL_TIMEOUT_MS);
    }

}

编译以上代码，然后启动一个 Node.js 进程，接着把 Node.js 进程的 pid 作为参数执行上面代码，就可以看到 poll io 阶段的耗时，通常，如果 Node.js 里没有任务会阻塞到 epoll_wait 中，所以我们无法观察到耗时。我们只需要在代码里写个定时器就行。

setInterval(() => {}, 3000);

我们可以看到 poll io 耗时在 3s 左右，因为有定时器时，poll io 最多等待 3s 后就会返回，也就是整个 poll io 阶段的耗时。了解了基本的实现后，我们来监控整个事件循环每个阶段的耗时。原理是类似的。先定义一个处理多个阶段的宏。

#define PHASE(uprobe) \
    uprobe(uv__run_timers) \ 
    uprobe(uv__run_pending) \
    uprobe(uv__run_idle) \
    uprobe(uv__run_prepare) \
    uprobe(uv__io_poll) \
    uprobe(uv__run_check) \
    uprobe(uv__run_closing_handles)

接着改一下 bpf 代码。

#define PROBE(type) \
SEC("uprobe/" #type) \
int BPF_KPROBE(uprobe_##type) \
{ \
    char key[20] = #type; \
    __u64 time = bpf_ktime_get_ns(); \
    bpf_map_update_elem(&values, &key, &time, BPF_ANY); \
    return 0; \
} \
SEC("uretprobe/" #type) \
int BPF_KRETPROBE(uretprobe_##type) \
{   \
    char key[20] = #type; \
    __u64 *time = bpf_map_lookup_elem(&values, &key); \
    if (!time) { \
        return 0; \
    } \
    struct event e = { \
        .name=#type \
    }; \
    e.start_time = *time; \
    e.end_time = bpf_ktime_get_ns(); \
    bpf_perf_event_output(ctx, &events, BPF_F_CURRENT_CPU, &e, sizeof(e)); \
    bpf_map_delete_elem(&values, key); \
    return 0; \
}

PHASE(PROBE)

我们看到代码和之前的 bpf 代码是一样的，只是通过宏的方式，方便定义多个阶段，避免重复代码。主要了使用 C 的一些知识。#a 等于 "a"，a##b 等于ab，"a" "b" 等于 "ab"（"a" "b" 中间有个空格）。同样，写完 bpf 代码后，再改一下主程序的代码。

   #define ATTACH_UPROBE(type)  \
        do \
        {   char * func_##type = #type; \
            uprobe_offset = get_elf_func_offset(execpath, func_##type); \
            if (uprobe_offset == -1) { \
                fprintf(stderr, "invalid function &s: %s\n", func_##type); \
                break; \
            } \
            fprintf(stderr, "uprobe_offset: %ld\n", uprobe_offset);\
            skel->links.uprobe_##type = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uprobe_##type,\
                                    false /* not uretprobe */,\
                                    pid,\
                                    execpath,\
                                    uprobe_offset);\
            skel->links.uretprobe_##type = bpf_program__attach_uprobe(skel->progs.uretprobe_##type,\
                                    true /* uretprobe */,\
                                    pid /* any pid */,\
                                    execpath,\
                                    uprobe_offset);\
        } while(false); 

       PHASE(ATTACH_UPROBE)

同样，代码还是一样的，只是变成了宏定义，然后通过 PHASE(ATTACH_UPROBE) 定义重复代码。这里使用了 do while(false) 是因为如果某个阶段的处理过程有问题，则忽略，因为我们不能直接 return，所以 do while 是比较好的实现方式。因为在我测试的时候，有两个阶段是失败的，原因是找不到对应函数的地址。最后写个测试代码。

function compute() {
    let sum = 0;
    for(let i = 0; i < 10000000; i++) {
        sum += i;
    }

}

setInterval(() => {

    compute();
    setImmediate(() => {
        compute();
    });

}, 10000)

执行后看到输出。

后记：本文大致介绍了基于 ebpf 实现对 Node.js 事件循环的耗时监控，这只是非常初步的探索，如果你有好的想法欢迎交流。

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文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/qEMQLBzWNNhaLo7cUbUhgw