社区的大佬们为学习BPF的同学们准备了福利 ,Linux内核源码里包含了大量的BPF示例代码,几乎覆盖了所有种类的BPF程序,非常适合学习者阅读和测试。今天为大家介绍如何编译运行这些BPF示例代码。

TL;DR

文章涉及的实验环境和代码可以到这个git repo获取:
https://github.com/nevermosby/linux-bpf-learning

内核源码里的BPF示例代码

示例代码里基本是kernuser成对出现,也就是对于一个示例来说,分别提供了在内核空间运行的和用户空间运行的程序,绝对是良心之作了。

下载Linux内核源代码

First thing first,第一步是下载内核代码。

选择内核版本

目前社区维护的内核版本繁多,你需要确定下载哪个版本的代码。个人建议是下载与你的操作系统运行一致的内核版本,避免后续编译时出现不兼容问题。

选择下载渠道

代码下载渠道也很多:

  1. 通过Linux社区官方仓库下载。以下几个网站都是官方维护的:
    观察下来,只要有新的commit,基本是实时同步的,下载最新版本的内核代码肯定没问题。如果你跟我一样,需要相对较旧的版本,只要切换相关的目标tag即可。我的内核版本是v4.15.0,下载地址参考如下:
  2. 通过Ubuntu apt仓库下载。Ubuntu官方自己维护了每个操作系统版本的背后的Linux内核代码,可以通过以下两种apt命令方式获取相关代码:
# 第一种方式
# 先搜索
> apt-cache search linux-source
	linux-source - Linux kernel source with Ubuntu patches
	linux-source-4.15.0 - Linux kernel source for version 4.15.0 with Ubuntu patches
	linux-source-4.18.0 - Linux kernel source for version 4.18.0 with Ubuntu patches
	linux-source-5.0.0 - Linux kernel source for version 5.0.0 with Ubuntu patches
	linux-source-5.3.0 - Linux kernel source for version 5.3.0 with Ubuntu patches
# 再安装
> apt install linux-source-4.15.0
	
# 第二种方式
> apt-get source linux
	Reading package lists... Done
	NOTICE: 'linux' packaging is maintained in the 'Git' version control system at:
	git://git.launchpad.net/~ubuntu-kernel/ubuntu/+source/linux/+git/bionic
	Please use:
	git clone git://git.launchpad.net/~ubuntu-kernel/ubuntu/+source/linux/+git/bionic
	to retrieve the latest (possibly unreleased) updates to the package.
	Need to get 167 MB of source archives.
	Get:2 https://mirrors.ustc.edu.cn/ubuntu bionic-updates/main linux 4.15.0-99.100 (tar) [158 MB]
	...
	
# 以上两种方式,内核源代码均下载至/usr/src/目录下

下载完成后,BPF示例就在「源码根目录/samples/bpf」目录下,可以到这里看个在线版的,建议大家通读一遍这个目录下的README.rst,了解整体步骤。

编译BPF示例代码

安装编译所依赖的工具

在真正开始编译工作之前,请确保你的实验环境已经安装clangllvm

  • clang >= version 3.4.0
  • llvm >= version 3.7.1

正式编译示例代码

万事俱备了,可以正式开始编译工作。我们说的「编译」其本质就是利用内核目录下不同的Makefile,通过特定的make指令完成特定工作。来,先上命令:

# 切换到内核源代码根目录
cd linux_sourcecode/
# 生成内核编译时需要的头文件
make headers_install
# 可视化选择你想为内核添加的内核模块,最终生成保存了相关模块信息的.config文件,为执行后面的命令做准备
make menuconfig
# 使用make命令编译samples/bpf/目录下所有bpf示例代码,注意需要加上最后的/符号
make samples/bpf/ # or  make M=samples/bpf

如下截图看结果,生成了一大堆的文件,有.o后缀的目标文件,还有绿色高亮的可执行文件,挑两个执行下,效果符合期待。

分析samples/bpf/Makefile文件

如果你是个喜欢打破砂锅问到底的同学,可以跟我一起看看最后的make命令到底用了什么魔法?当然你也可以跳过这个章节。本次分析的Makefile是基于内核版本v4.15.0,不同内核版本的Makefile内容会有差异,但总体逻辑是一致的。

前提条件

  • 如果你对make作为构建工具还不熟悉,可以看看这个教程
  • Linux内核中大部分Makefile都是基于Kernel Build System,简称kbuild,它是对Makefile的扩展,使其在编译内核文件时更加高效、简洁。因此你需要对其有所了解,可以到这里看看官方介绍。
  • 上文使用的另外两个make命令,利用的是根目录下的Makefile,完成「生成头文件」和「生成.config文件」,这两步是内核开发的必要步骤,感兴趣的同学移步看README.rst

分段分析

  1. 第一段关于变量hostprogs-y
# List of programs to build
hostprogs-y := test_lru_dist
hostprogs-y += sock_example
hostprogs-y += fds_example
hostprogs-y += sockex1
hostprogs-y += sockex2
hostprogs-y += sockex3
...

Makefile的第一段是初始化变量hostprogs-y,乍一看,好像是把所有示例程序名称都赋值给了hostprogs-y。官方的注释是List of programs to build,直译过来是,「准备构建的程序清单」,大致能猜出这个变量的意义了,通过查询官方文档,发现一个概念叫Host Program support,意思是在编译阶段就构建出可以在本机直接运行的可执行文件,为了实现这个目的,需要经过两个步骤:

  • 第一步告诉 kbuild 需要生成哪些可执行文件,这个就是通过变量hostprogs-y来指定。来看源码中的这一行:
hostprogs-y := test_lru_dist

程序test_lru_dist就是一个被指定的可执行程序名称,kbuild默认会去同一个目录下查找名为test_lru_dist.c作为构建这个可执行文件的源文件。类似代码也是同样的意义,总计有41个可执行文件赋值给了变量hostprogs-y中。

  • 第二步是将显式依赖关系添加到可执行文件中。这可以通过两种方式来完成,一种是为Makefile中某个target添加这个可执行文件,作为prerequisites,形成依赖关系,这样就可以触发这个可执行文件的构建任务,另一种是直接利用变量 always,即无需指定第一种方式中的依赖关系,只要Makefile被执行,变量always中包含的可执行文件都会被构建。来看源码中的相关片段:
# Tell kbuild to always build the programs
always := $(hostprogs-y)

可以看到它使用上文提到的第二种方式,保证这些可执行文件一定会被执行构建任务。

2. 第二段关于变量<executeable>-objs

# Libbpf dependencies
LIBBPF := ../../tools/lib/bpf/bpf.o
CGROUP_HELPERS := ../../tools/testing/selftests/bpf/cgroup_helpers.o
	
test_lru_dist-objs := test_lru_dist.o $(LIBBPF)
sock_example-objs := sock_example.o $(LIBBPF)
fds_example-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) fds_example.o
sockex1-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) sockex1_user.o
sockex2-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) sockex2_user.o
sockex3-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) sockex3_user.o
...

第一二行是声明并初始化了两个变量LIBBPFCGROUP_HELPERS,以便后续复用。后面的几行是有共性的,:=符号左边是个有规律的变量:<executeable>-objs,右边是多个.o文件,看上去的意义像是右边的多个文件会合并成一个指定文件。通过查询文档可知,可执行文件可以由多个其他文件复合组成,通过<executeable>-objs这样的语法,可以列出并指定所有用于生成最终可执行文件(命名为executeable)的文件清单。以如下代码为例,可执行文件sockex1是由bpf_load.obpf.osockex1_usr.o链接生成的。

sockex1-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) sockex1_user.o

3. 第三段关于变量HOSTCFLAGSHOSTLOADLIBES

HOSTCFLAGS += -I$(objtree)/usr/include
HOSTCFLAGS += -I$(srctree)/tools/lib/
HOSTCFLAGS += -I$(srctree)/tools/testing/selftests/bpf/
HOSTCFLAGS += -I$(srctree)/tools/lib/ -I$(srctree)/tools/include
HOSTCFLAGS += -I$(srctree)/tools/perf
	
HOSTCFLAGS_bpf_load.o += -I$(objtree)/usr/include -Wno-unused-variable
HOSTLOADLIBES_fds_example += -lelf
HOSTLOADLIBES_sockex1 += -lelf
HOSTLOADLIBES_sockex2 += -lelf
HOSTLOADLIBES_sockex3 += -lelf
...
HOSTLOADLIBES_tracex4 += -lelf -lrt
...

上面的代码中有两个关键变量:

  • 变量HOSTCFLAGS顾名思义,它是在编译host program(即可执行文件)时,为编译操作指定的特殊选项,如上面代码中使用-I参数指定依赖的头文件所在目录。默认情况下,这个变量的配置会作用到当前Makefile涉及的所有host program。如果你想为某个host program单独指定一个编译选项,可以像上文的这行代码:
HOSTCFLAGS_bpf_load.o += -I$(objtree)/usr/include -Wno-unused-variable

只为bpf_load.o这个object文件指定特殊选项。

  • 变量HOSTLOADLIBES是用于链接(link)操作时指定的特殊选项,如上面代码中使用两个library(因为代码中使用了相关的函数),通过选项-l加到最终生成的可执行文件中:
    1. libelf,这个库用来管理elf格式的文件,bpf程序一般都会使用elf作为最终格式,因此需要加载这个library。
    2. librt,这个库其实很常用,一般含有#include<time.h>头文件的代码,都需要加载这个library,用来支持real time相关功能。

4. 第四段关于如何编译BPF程序源文件

# Trick to allow make to be run from this directory
all:
    $(MAKE) -C ../../ $(CURDIR)/
	
...
$(obj)/%.o: $(src)/%.c
    $(CLANG) $(NOSTDINC_FLAGS) $(LINUXINCLUDE) $(EXTRA_CFLAGS) -I$(obj) \
				-I$(srctree)/tools/testing/selftests/bpf/ \
				-D__KERNEL__ -Wno-unused-value -Wno-pointer-sign \
				-D__TARGET_ARCH_$(ARCH) -Wno-compare-distinct-pointer-types \
				-Wno-gnu-variable-sized-type-not-at-end \
				-Wno-address-of-packed-member -Wno-tautological-compare \
				-Wno-unknown-warning-option $(CLANG_ARCH_ARGS) \
				-O2 -emit-llvm -c $< -o -| $(LLC) -march=bpf -filetype=obj -o $@

上面是Makefile最后一段代码,其中:

  • 首先是定义了很多target,其中包括默认的入口target:
# Trick to allow make to be run from this directory
all:
    $(MAKE) -C ../../ $(CURDIR)/

其中$(CURDIR)是一种系统变量,它的值是当前工作目录的绝对路径,作用跟$(pwd)类似。

  • 然后是对于BPF程序最重要的一段命令——编译BPF程序源文件
$(obj)/%.o: $(src)/%.c
			$(CLANG) $(NOSTDINC_FLAGS) $(LINUXINCLUDE) $(EXTRA_CFLAGS) -I$(obj) \
				-I$(srctree)/tools/testing/selftests/bpf/ \
				-D__KERNEL__ -Wno-unused-value -Wno-pointer-sign \
				-D__TARGET_ARCH_$(ARCH) -Wno-compare-distinct-pointer-types \
				-Wno-gnu-variable-sized-type-not-at-end \
				-Wno-address-of-packed-member -Wno-tautological-compare \
				-Wno-unknown-warning-option $(CLANG_ARCH_ARGS) \
				-O2 -emit-llvm -c $< -o -| $(LLC) -march=bpf -filetype=obj -o $@

其中有两个系统变量:第一个$@代表的是target所指的文件名;第二个$<代表的是第一个prerequisite的文件名。看过本站关于BPF博文的同学可能已经看出如上代码的玄机了,我把它简化下:

clang -I $(srctree)/tools/testing/selftests/bpf/ \ 
		      -O2 -emit-llvm -c $< -o -| \ 
		      llc -march=bpf -filetype=obj -o $@

从上面的简化版命令,可以看出最后一行make命令的本质,就是把所有.c源代码文件,通过clang全部编译成.o目标文件。

小结

samples/bpf/Makefile这个文件执行make命令的本质就是:

  1. 为运行在内核空间的示例源代码(一般文件名称后缀为kern.c),编译生成.o后缀的目标文件,以便加载到对应BPF提供的hook中去。
  2. 为运行在用户空间的示例源代码(一般文件文件后缀为user.c),编译生成可以在本机直接运行的可执行文件,以便用户可以直接运行测试。

我在执行Make命令遇到的问题

我自己的实验环境是Ubuntu 18.04 with 4.15.0内核,在执行上面的make命令时,发生了以下的错误信息:

...
In file included from ./tools/perf/perf-sys.h:9:0,
            	 from samples/bpf/bpf_load.c:28:
./tools/perf/perf-sys.h: In function ‘sys_perf_event_open’:
./tools/perf/perf-sys.h:68:15: error: ‘test_attr__enabled’ undeclared (first use in this function)
  if (unlikely(test_attr__enabled))
        	   ^
./tools/include/linux/compiler.h:74:43: note: in definition of macro ‘unlikely’
 # define unlikely(x)  __builtin_expect(!!(x), 0)
                                    	   ^
./tools/perf/perf-sys.h:68:15: note: each undeclared identifier is reported only once for each function it appears in
  if (unlikely(test_attr__enabled))
        	   ^
./tools/include/linux/compiler.h:74:43: note: in definition of macro ‘unlikely’
 # define unlikely(x)  __builtin_expect(!!(x), 0)
                                    	   ^
In file included from samples/bpf/bpf_load.c:28:0:
./tools/perf/perf-sys.h:69:3: warning: implicit declaration of function ‘test_attr__open’ [-Wimplicit-function-declaration]
   test_attr__open(attr, pid, cpu, fd, group_fd, flags);
   ^~~~~~~~~~~~~~~
scripts/Makefile.host:107: recipe for target 'samples/bpf/bpf_load.o' failed
make[1]: *** [samples/bpf/bpf_load.o] Error 1
Makefile:1823: recipe for target 'samples/bpf/' failed
make: *** [samples/bpf/] Error 2

根据错误信息,查看发生错误的文件为./tools/perf/perf-sys.h,报错的那一行是test开头的。通过Google发现了内核大佬们的邮件来往:https://www.spinics.net/lists/netdev/msg608676.html。大佬们建议由于是测试相关的代码,所以可以skip掉。修改完的文件在这里,请斟酌参考。重新运行make命令,错误不再发生了。

make samples/bpf/ # and it works

为自己的BPF程序生成可执行文件

如果你想利用Linux内核环境来编译自己的BPF程序,是非常方便的。只要对samples/bpf/目录下的Makefile进行一点点自定义改造即可,如果你仔细阅读了上面的分析,那么改造的原理就显而易见了:

# 假设你自己BPF程序如下所示:
# 内核空间代码:my_bpf_101_kern.c
# 用户空间代码:my_bpf_101_user.c
# 从上之下,添加新的代码行
 
# 1. 追加新的一行至hostprogs-y开头的代码块最后,保证自己的BPF程序能够生成可执行文件
hostprogs-y += my_bpf_101
# 2. 一般BPF程序使用以下命令即可,具体取决于你的程序是否依赖其他特殊头文件
my_bpf_101-objs := bpf_load.o $(LIBBPF) my_bpf_101_user.o
# 3. 追加新的一行至always开头的代码块最后,保证触发生成可执行文件的任务
always += my_bpf_101_kern.o

一般的BPF程序只需要通过如上3处更新加入到Makefile中,就可以使用make samples/bpf/命令,生成你自己程序的可执行文件了。

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