Linux写操作实时跟踪

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1、linux 磁盘写操作实时跟踪分类：Linux / Unix 高级应用编程2011-04-28 00:14 397 人阅读评论（0）收藏举报事实上，我总是对linux开源社区的无名英雄们怀着无限的敬意，因此除了完成工作中 需要的功能以外，首先想到的是分享，本篇文章以GPL发布，在你转发的时候，请遵循GPL 协议的规定，在此首先贴出GPL公共许可证，或许你会觉得这过于啰嗦，事实上这是必要的。请谅解。为了不妨碍大家的阅读，在此我给出GPLv3的连接地址。（GPLv3）下面进入正题，我打算分几个步骤来说明：第一磁盘写操作的过程分析；第二模块导出符号的利用；第三jprobe 禾口 kprobe 介绍

2、；第四磁盘写操作跟踪；最后还将给出一个简单的示例程序。第一磁盘写操作过程分析在linux内核中，发生一次写操作，从调用 write函数到数据发起一个写数据到具体块设 备请求之间，大致需要以下几个过程。1. 如果用户态调用了一个write函数，内核执行blkdev_file_write 函数，如果不是direct io操作方式，那么执行buffered write 操作过程，直接调用generic_file_buffered_write 函数。Buffered write操作方法会将数据直接写入Cache，并进行Cache的替换操作，在替换操作过程中需要对实际的快设备进行操作，address_s

3、pace-a_ops提供了块设备操作的方法。当数据被写入到 Cache之后，write函数就可以返回了，后继异步写入的任务绝大部分交给 了 pdflush daemon（有一部分在替换的时候做了）。2. 读操作在没有命中 Cache的情况下通过 address_space_operations方法中的readpage函数发起块设备读请求；写操作在替换 Cache或者Pdflush唤醒时发起块设备请求。发起块设备请求的过程都一样，首先根据需求构建bio结构，bio结构中包含了读写地址、长度、目的设备、回调函数等信息。构造完 bio之后，通过简单的 submit_bio函数将submit bio请

4、求转发给具体的块设备。从这里可以看出，块设备接口很简单，接口方法为(更底层函数为 generic_make_request )，数据结构为 struct bio。3. submit_bio 函数通过 generic_make_request 转发 bio，generic_make_request 是一个循环，其通过每个块设备下注册的q-make_request_fn函数与块设备进行交互。如果访问的块设备是一个有 queue的设备，那么会将系统的 _make_request函数注册到 q-make_request_fn 中；否则块设备会注册一个私有的方法。在私有的方法中，由于不存在queue队列

5、，所以不会处理具体的请求，而是通过修改bio中的方法实现bio的转发，在私有 make_request 方法中，往往会返回1，告诉generic_make_request继续转发比 bio。gen eric_make_request的执行上下文可能有两种，一种是用户上下文，另一种为pdflush所在的内核线程上下文。4. 接下来generic_make_request 再往下发就该到驱动层了。这里不属于我们讨论的范畴了我们需要监控所有要经过generic_make_request发起到驱动的bio，因此只有在bio被产生或者submit_bio的位置去拦截，读到这里，你能够想明白这个事情就足够

6、了。第二模块导出符号的利用模块函数是可以用 EXPORT_SYMBOL 宏导出的，其本来的目的是导出之后便于模块与 模块之间的代码重用，已经模块间通讯。在这里我们要讨论其另外一个用法，模块函数被导出之后，我们可以根据模块名称获取到模块函数对应的位置偏移量。这个值也就是这个模块函数的首地址。如果我们要想利用submit_bio，那首先就要保证 submit_bio函数的符号是被导出来了的。事实上我们查看linux内核源代码(blk-core.c:Line1620 ):1.2.3.4.5.6.7.8.9.cpp view pla in copy* submit_bio - submit a bio

7、 to the block device layer for I/O* rw: whether to %READ or %WRITE, or maybe to %READA (read ahead)* bio: The &struct bio which describes the I/O* submit_bio() is very similar in purpose to generic_make_request(), and* uses that function to do most of the work. Both are fairly rough* interfaces; bio

8、 must be presetup and ready for I/O.10. */11. void submit_bio( int rw, struct bio *bio)12. 13. int count = bio_sectors(bio);14.bio-bi_rw |= rw;15./*16.* If its a regular read/write or a barrier with data attached,17.* go through the normal accounting stuff before submission18.*/19.if(bio_has_data(bi

9、o) & !(rw & REQ_DISCARD) 20.if (rw & WRITE) 21.count_vm_events(PGPGOUT, count);22.else 23.task_io_account_read(bio-bi_size);24.count_vm_events(PGPGIN, count);25.26.if (unlikely(block_dump) 27.char bBDEVNAME_SIZE;28.printk(KERN_DEBUG%s(%d): %s block %Lu on %s (%u sectors)/n ,29.current-comm, task_pid

10、_nr(current),30.(rw & WRITE) ?WRITE:READ,31.(unsignedlonglong )bio-bi_sector,32.bdevname(bio-bi_bdev, b),33.count);34.35.36.generic_make_request(bio);37.38.EXPORT_SYMBOL(submit_bio);确实这个submit_bio函数是被导出了符号的，EXPORT_SYMBOL(submit_bio); 或许你觉得这来的太轻松了，事实上要分析到这一步真的需要很多耐心的，所有磁盘读写操作最终要真正的往磁盘上写文件，所有真实要到达磁盘的数

11、据bio都必将经过这个函数。虽然是导出来符合，我们能直接调用，可是直接调用似乎不能达到我们想要的效果获取到这个bio结构。反而要我们传给它一个bio结构。对这个函数如何处理呢？正如你所想的那样，我们如果能在这个函数执行的时候插入一个函数到这里拦截就对了， 就像c语言的setjmp和Iongjmp那样工作。可是在编译过了的linux内核中能实现吗？答案 是肯定的。这就是下一节所讲的kprobe机制。第三jprobe 禾口 kprobe 介绍顾名思义probe就是探头的意思，即是说在函数f1调用的时候，设置一个探头f2到这个 函数f1的位置，并且获取到 f1的参数，抛给f2，然后，跳到f2的位置执

12、行，完了之后再 回到到f1执行。更多关于kprobe的介绍请自行 google查找，在linux内核的sample目录下也有一个使 用的例子。这里只做简单的介绍，其功能简单说，就是在函数被调用的时候，能拿到这个函数的参数，做一些处理。而如果我们设置一个jprobe到submit_bio这个函数上，那么我们就可以获取到bio结构的信息了。jprobe结构定义如下：cpp view pla in copy1. struct jprobe 2. struct kprobe kp;3. void *entry;4. 那么总结一下设计思路，一句话，构建一个jprobe探头插入到submit_bio处。事

13、实上要得出这句话的结论要经历很多伤感的事情。哈哈。kprobe结构中有两个重要的成员symbol_name, addr ，symbol_name 就是那个函数的符号，这里就应该是 submit_bio的符号。addr就是这个函数的地址，就是内核函数 kallsyms_lookup_name(submit_bio)返回的值。需要注意的是在jprobe 结构中的 kprobe只能是addr或是symbol_name其中一个填入了值，如果两个都填入，在注册这个探头的 时候就会出现错误-21非法符号。举例说明，如果addr为0x1000000，那么symbol_name就该是NULL;如果symbol

14、_name 为submit_bio那么addr就该为NULL ;不能是两个都是 有效的数据。具体设置哪一个值，根据内核版本而定。(很多发型版本并没有导出 kallsyms_lookup_name ).jprobe的另一个成员是 entry，这就是我们自己定义的那个探头程序。有一点必须说明，就是注册进去的探头程序应该和被注册的函数的参数列表一致，比如void submit_bio(i ntrw, struct bio * bio)那么注册进去的探头程序也该是void submit_bio_probe( in trw, struct bio * bio).因此对于submit_bio这个函数，要想

15、注册一个jprobe探头函数给它，那么这个jprobe结构就应该类似于下面这个样子。cpp view pla in copy1. struct jprobe submit_bio_jprobe 2. .entry = (kprobe_opcode_t *) submit_bio_jprobe,3. kp = 4.addr = NULL, .symbol_name =submit_bio5.6. ；第四磁盘写操作跟踪磁盘操作的跟踪，逻辑已经很清楚了。那么具体如何去做？首先这是linux内核编程，因此我们需要写一个模块，当然你也可以傻到去修改内核，实 现一个系统调用。这里我们按照正常人的思维去做。

16、在实现的模块中，初始化的时候把这个探头程序注册进去，然后在模块释放的时候卸载这个探头程序。注册探头程序用register_jprobe，卸载用unresister_jprobe 仅此而已。似乎讲到了这里的时候，你会发现这 是一件特别简单的事情了。 内核调用也不会超过10个。也实在没有必要再详细的说下去了， 这里给出一个简单的实例程序， 其功能是打印出，哪个设备的那一个扇区之后的多少个扇区 发生了写操作。打印的格式为：device : dm-0 , comma nd : write , start : 10240 , count : 8其中device为对应的设备名，comma nd为动作，是读

17、还是写，start为动作发生的起始扇区，cou nt是start这个位置之后的多少个扇会发生comma nd类型的操作。下面给出源代码和 makefile文件dwm_mod.ccpp view pla in copy1.#include 2.#include 3.#include 4.#include 5.6.static void submit_bio_probe(int rw, struct bio * bio) 7.if (bio & bio-bi_io_vec != NULL) 8.char bBDEVNAME_SIZE;9.printk(KERNNFOdevice: %s, comm

18、and: %s, start: %10lld, count: %d /n,10.bdevname(bio-bi_bdev, b), rw & WRITE ?writeread,11.bio-bi_sector, bio_sectors(bio);12.13.jprobe_return();16.17.18.kp = 19./ can not set both addr and symbo_name20./ either set addr or symbol_name21./ if not -21 while retured22.addr = NULL,(kprobe_opcode_t *) 0

19、xc04e6e4,23.symbol_name =submit bio24.,25.;26.staticint_init my_init(void ) 27.int ret = 0;28.printk(KERNNFOsubmit_bio jprobe module install./);29.ret = register_jprobe(&m y_jprobe);30.if (ret 0) 31.printk(KERNNFOregister_jprobe failed, returned %d/n,re32.33.t)；return ret;34.printk(KERNNFOPlanted jp

20、robe at %p, handler addr %p/n35.my_jprobe.kp.addr, my_jprobe.entry);36.return ret;37.38.staticvoid _exit my_exit(void ) 39.printk(KERNNFOsubmit_bio jprobe module uninstall./n）；40.41.unregister_jprobe(&m y_jprobe); printk(KERNNFOjprobe at %p unregistered/n,my_jprobe.kp.addr);14. 15.static struct jpro

21、be my_jprobe = .entry = (kprobe_opcode_t *) submit_bio_probe.42. 43. module_init(my_init);44. module_exit(my_exit);45. MODULE_LICENSEGPL);Makefile:cppview pla in copy1. ifneq ($(KERNELRELEASE),)2. obj-m := dwm_mod.o3. else4. KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build5. PWD := $(shell pwd)6. defaul

22、t7. $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules8. endif大家可以编译运行，看看运行结果。编译的时候，如果你的linux系统没有安装内核开发环境，请先安装。我的测试系统是 Cen tOS 5.1，内核版本是2.6.18-238.9.1.el5【注】：第一磁盘写操作的过程分析，我是在chin au nixblog http:/blogold.chi nau nix. net/u3/103428/showart_2471002.html博主吴栓的博客中看到的，在此感谢博主分析了磁盘读写的整个过程。事实上我发现很多地方都有这一篇文章，我无法确定真正发这篇博客的作者是谁，也无法与你联系。原作者发现我有侵权行为，请至邮件到 akocea .我将第一时间与你取得联系。