【linux内核详解】实战eBPF kprobe函数插桩

sunsili

【linux内核详解】实战eBPF kprobe函数插桩

本文作者为团队小伙伴阿松，在Linux文件监控领域实战经验丰富。本次引入eBPF在文件监控上应用，提升文件变更的关联进程信息等。在实现过程中，分享了eBPF kbproe时，被插桩函数超多参数获取的解决方案。

本文内容，如非特殊说明，均基于 4.18 内核，x86-64 CPU 架构。

插桩的程序类型选择

说起 eBPF 大家都不陌生，就内核而言，hook 会尽可能选在 tracepoint，如果没有 tracepoint，会考虑使用 kprobe。

tracepoint 的范围有限，而内核函数又太多，基于各种需求场景，kprobe 的出场机会较多；但需要注意的，并不是所有的内核函数都可以选作 hook 点，inline 函数无法被 hook，static 函数也有可能被优化掉；如果想知道究竟有哪些函数可以选做 hook 点，在 Linux 机器上，可以通过less /proc/kallsyms查看。

使用 eBPF 时，内核代码 kprobe 的书写范例如下：

SEC("kprobe/vfs_write")
int kprobe_vfs_write(struct pt_regs *regs)
{
    struct file *file
    file = (struct file *)PT_REGS_PARM1(regs);
    // ...
}

其中 pt_regs 的结构体如下：

struct pt_regs {
/*
* C ABI says these regs are callee-preserved. They aren't saved on kernel entry
* unless syscall needs a complete, fully filled "struct pt_regs".
*/
unsigned long r15;
unsigned long r14;
unsigned long r13;
unsigned long r12;
unsigned long bp;
unsigned long bx;
/* These regs are callee-clobbered. Always saved on kernel entry. */
unsigned long r11;
unsigned long r10;
unsigned long r9;
unsigned long r8;
unsigned long ax;
unsigned long cx;
unsigned long dx;
unsigned long si;
unsigned long di;
/*
* On syscall entry, this is syscall#. On CPU exception, this is error code.
* On hw interrupt, it's IRQ number:
*/
unsigned long orig_ax;
/* Return frame for iretq */
unsigned long ip;
unsigned long cs;
unsigned long flags;
unsigned long sp;
unsigned long ss;
/* top of stack page */
};

通常来说，我们要获取的参数，均可通过诸如 PT_REGS_PARM1 这样的宏来拿到，宏定义如下：

#define PT_REGS_PARM1(x) ((x)->di)
#define PT_REGS_PARM2(x) ((x)->si)
#define PT_REGS_PARM3(x) ((x)->dx)
#define PT_REGS_PARM4(x) ((x)->cx)
#define PT_REGS_PARM5(x) ((x)->r8)

可以看到，上述的宏只能获取 5 个参数；但是在最近的一个项目中，就遇到了如何获取超过 5 个参数的难题，这也是本文的由来，如果你也有类似的困惑，本文也许是为你准备的。

如何获取插桩函数中第 6 个参数

上述的 5 个宏已经可以覆盖大多数的获取小于 5 个参数的需求，不知道大家有没有想过，使用 eBPF 时如果获取的参数个数大于 5 个怎么办呢？

如下的内核函数__get_user_pages（幸运的是，该 static 函数并未被优化掉）：

static long __get_user_pages(struct task_struct *tsk, struct mm_struct *mm,
  unsigned long start, unsigned long nr_pages,
  unsigned int gup_flags, struct page **pages,
  struct vm_area_struct **vmas, int *nonblocking)

在希望对这个函数进行 hook 的时候犯了难，该函数总共有 8 个参数，如果想拿到最后 3 个参数，该如何操作呢？

且看 BCC 是如何操作的。

BCC 代码中明确表明：只支持寄存器参数。那什么是寄存器参数呢？其实就是内核函数调用约定中的前 6 个参数要通过寄存器传递，只支持这前六个寄存器参数。

constexpr int MAX_CALLING_CONV_REGS = 6;
const char *calling_conv_regs_x86[] = {
  "di", "si", "dx", "cx", "r8", "r9"
};

bool BTypeVisitor::VisitFunctionDecl(FunctionDecl *D) {
    if (D->param_size() > MAX_CALLING_CONV_REGS + 1) {
      error(GET_BEGINLOC(D->getParamDecl(MAX_CALLING_CONV_REGS + 1)),
            "too many arguments, bcc only supports in-register parameters");
      return false;
    }
}

BCC 中使用如下的代码对用户写的BPF text进行rewrite，覆盖的参数刚好是前 6 个参数，分别保存于di, si, dx, cx, r8, r9寄存器：

const char *calling_conv_regs_x86[] = {
  "di", "si", "dx", "cx", "r8", "r9"
};

void BTypeVisitor::genParamDirectAssign(FunctionDecl *D, string& preamble,
                                        const char **calling_conv_regs) {
  for (size_t idx = 0; idx < fn_args_.size(); idx++) {
    ParmVarDecl *arg = fn_args_[idx];

    if (idx >= 1) {
      // Move the args into a preamble section where the same params are
      // declared and initialized from pt_regs.
      // Todo: this init should be done only when the program requests it.
      string text = rewriter_.getRewrittenText(expansionRange(arg->getSourceRange()));
      arg->addAttr(UnavailableAttr::CreateImplicit(C, "ptregs"));
      size_t d = idx - 1;
      const char *reg = calling_conv_regs[d];
      preamble += " " + text + " = (" + arg->getType().getAsString() + ")" +
                  fn_args_[0]->getName().str() + "->" + string(reg) + ";";
    }
  }
}

看到这里，大家应该明白，之所以能使用 BCC 提供的如此简便的 python 接口（内核函数前面加上前缀 kprobe__，第一个参数永远是struct pt_regs *，然后需要使用几个内核参数就填写几个）来做一些监控工作，是因为 BCC 在幕后做了大量的 rewirte 工作，respect！

int kprobe__tcp_v4_connect(struct pt_regs *ctx, struct sock *sk) {
    [...]
}

之前总是由于 eBPF 给的限制（按照 eBPF 的 calling convention，只有 5 个参数可以传递），以为更多的参数是无法获取的。实际上可以回忆下，实际上按照 amd64 的调用约定，最多是可以通过寄存器传递 6 个参数的。

这么看下来，获取第 6 个参数的方案其实也是很简单，手动添加如下的宏即可：

#define PT_REGS_PARM6(x) ((x)->r9)


插桩函数超过 6 个参数怎么办

amd64 的调用约定同样规定了，超过 6 个的参数，都会在栈上传递，具体可以参考regs_get_kernel_argument

那么如果参数超过 6 个，处理方案呼之欲出：从栈上获取。

regs_get_kernel_argument该函数在新版本的内核中才有，实现如下：

static inline unsigned long regs_get_kernel_argument(struct pt_regs *regs,
           unsigned int n)
{
static const unsigned int argument_offs[] = {
#ifdef __i386__
  offsetof(struct pt_regs, ax),
  offsetof(struct pt_regs, dx),
  offsetof(struct pt_regs, cx),
#define NR_REG_ARGUMENTS 3
#else
  offsetof(struct pt_regs, di),
  offsetof(struct pt_regs, si),
  offsetof(struct pt_regs, dx),
  offsetof(struct pt_regs, cx),
  offsetof(struct pt_regs, r8),
  offsetof(struct pt_regs, r9),
#define NR_REG_ARGUMENTS 6
#endif
};

if (n >= NR_REG_ARGUMENTS) {
  n -= NR_REG_ARGUMENTS - 1;
  return regs_get_kernel_stack_nth(regs, n);
} else
  return regs_get_register(regs, argument_offs[n]);
}

从上述的代码可以看到，常用的前 6 个参数，确实是在寄存器中获取，分别是di, si, dx, cx, r8, r9，这也印证了我们之前的想法，且和 BCC 中的行为是一致的。

从regs_get_kernel_argument中也可以看到，从第 7 个参数开始，便开始从栈上获取了，关键函数为：regs_get_kernel_stack_nth，这个函数在 4.18 内核中也有，如下：

static inline unsigned long regs_get_kernel_stack_nth(struct pt_regs *regs, unsigned int n)
{
unsigned long *addr = (unsigned long *)kernel_stack_pointer(regs);
addr += n;
if (regs_within_kernel_stack(regs, (unsigned long)addr))
  return *addr;
else
  return 0;
}

// 等价于bpf提供的帮助宏 #define PT_REGS_SP(x) ((x)->sp)
static inline unsigned long kernel_stack_pointer(struct pt_regs *regs)
{
return regs->sp;
}

regs_get_kernel_stack_nth是标准的栈上操作获取，只不过内核提供了一些地址合法性的检查，不考虑这些的话，在 eBPF 中其实可以一步到位；使用如下函数，便能返回栈上的第 n 个参数（从 1 开始）。

static __always_inline unsigned long regs_get_kernel_stack_nth(struct pt_regs *regs,
            unsigned int n)
{ unsigned long *addr;  unsigned long val;

addr = (unsigned long *)PT_REGS_SP(x) + n;
if (addr) {
     bpf_probe_read(&val, sizeof(val), addr);
     return val;
}
return 0;
}

捎带提一句，在 amd64 中，eBPF calling ABI 使用了 R1-R5 来传递参数，且做了如下的寄存器映射约定，方便 jit 转换为 native code，提高效率。

R0 – rax      return value from function
R1 – rdi      1st argument
R2 – rsi      2nd argument
R3 – rdx      3rd argument
R4 – rcx      4th argument
R5 – r8       5th argument
R6 – rbx      callee saved
R7 - r13      callee saved
R8 - r14      callee saved
R9 - r15      callee saved
R10 – rbp     frame pointer

而 R0 - R10，是 bpf 虚拟机的内部的特殊标识符（函数调用等地方使用），如果 jit 可用，bpf code 会被翻译为native code。

Linux Amd64 调用约定demo 验证

那 Amd64 的 ABI 是如何操作的呢？可以使用如下的代码进行验证:

# cat myfunc.c
int utilfunc(int a, int b, int c)
{
    int xx = a + 2;
    int yy = b + 3;
    int zz = c + 4;
    int sum = xx + yy + zz;

    return xx * yy * zz + sum;
}

int myfunc(int a, int b, int c, int d,
            int e, int f, int g, int h)
{
    int xx = (a + b) * c * d * e * (f + (g * h));
    int zz = utilfunc(xx, 2, xx % 2);
    return zz + 20;
}

int main() {
    myfunc(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8);
    return 0;
}

gcc -c -g myfunc.c进行编译汇编得到 myfunc.o

eBPF 字节码反汇编

objdump -S myfunc.o反汇编，查看调用约定是不是和我们从教科书上看到的一致

先看 main 函数，可以简单地得出如下结论：

• 超过 6 个参数的函数调用，需要用到栈传递
• 前 6 个参数，分别使用 di、si、dx、cx、r8、r9
• 使用栈传递的参数，是从右向左压栈，此例中先压入 8，再压入 7
  

00000000000000c4 <main>:

int main() {
  c4: f3 0f 1e fa           endbr64
  c8: 55                    push   %rbp
  c9: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp
    myfunc(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8);
  cc: 6a 08                 push   $0x8    #栈上传递参数
  ce: 6a 07                 push   $0x7    #栈上传递参数
  d0: 41 b9 06 00 00 00     mov    $0x6,%r9d #如下是寄存器传递参数
  d6: 41 b8 05 00 00 00     mov    $0x5,%r8d
  dc: b9 04 00 00 00        mov    $0x4,%ecx
  e1: ba 03 00 00 00        mov    $0x3,%edx
  e6: be 02 00 00 00        mov    $0x2,%esi
  eb: bf 01 00 00 00        mov    $0x1,%edi #第1个参数，寄存器传递
  f0: e8 00 00 00 00        call   f5 <main+0x31>
  f5: 48 83 c4 10           add    $0x10,%rsp
    return 0;
  f9: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax
}
  fe: c9                    leave
  ff: c3                    ret


用户空间程序调用

再看被 main 调用的 myfunc 函数的反汇编：

和 main 函数的调用参数排列一致，参数1-6是寄存器传递，参数7-8是栈上传递

int myfunc(int a, int b, int c, int d,
            int e, int f, int g, int h)
{
  50: f3 0f 1e fa           endbr64
  54: 55                    push   %rbp
  55: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp
  58: 48 83 ec 28           sub    $0x28,%rsp
  5c: 89 7d ec              mov    %edi,-0x14(%rbp) #第1个参数，从edi中复制到栈上
  5f: 89 75 e8              mov    %esi,-0x18(%rbp)
  62: 89 55 e4              mov    %edx,-0x1c(%rbp)
  65: 89 4d e0              mov    %ecx,-0x20(%rbp)
  68: 44 89 45 dc           mov    %r8d,-0x24(%rbp)
  6c: 44 89 4d d8           mov    %r9d,-0x28(%rbp) #第6个参数
    int xx = (a + b) * c * d * e * (f + (g * h));
  70: 8b 55 ec              mov    -0x14(%rbp),%edx
  73: 8b 45 e8              mov    -0x18(%rbp),%eax
  76: 01 d0                 add    %edx,%eax      # a+b
  78: 0f af 45 e4           imul   -0x1c(%rbp),%eax #(a+b) * c
  7c: 0f af 45 e0           imul   -0x20(%rbp),%eax #(a+b) * c * d
  80: 0f af 45 dc           imul   -0x24(%rbp),%eax #(a+b) * c * d * e
  84: 89 c2                 mov    %eax,%edx
  86: 8b 45 10              mov    0x10(%rbp),%eax  #栈上第1个参数 g
  89: 0f af 45 18           imul   0x18(%rbp),%eax  # g*h
  8d: 89 c1                 mov    %eax,%ecx
  8f: 8b 45 d8              mov    -0x28(%rbp),%eax # 参数f
  92: 01 c8                 add    %ecx,%eax        # (g*h) + f
  94: 0f af c2              imul   %edx,%eax        # ((g*h) + f) * (a+b) * c * d * e
  97: 89 45 f8              mov    %eax,-0x8(%rbp)


寄存器堆栈状态

main 函数调用 myfunc，做完 prolog 操作后，栈和寄存器的状态如下：

main-myfunc实战 kprobe 获取 6 个以上参数

说了那么多，到底是不是符合预期呢？尝试使用 BCC 验证下，为了方便验证，换了一个比较容易从用户态验证的 hook 点：inotify_handle_event

如果在 BCC 中使用了超过 6 个的参数，则会报错，比如函数 kprobe__inotify_handle_event 的原型如下：

int kprobe__inotify_handle_event(struct pt_regs *ctx, struct fsnotify_group *group,
                         struct inode *inode,
                         u32 mask, const void *data, int data_type,
                         const unsigned char *file_name, u32 cookie,
                         struct fsnotify_iter_info *iter_info)

当在 BCC 中做超过 6 个参数的获取时，得到如下错误：

error: too many arguments, bcc only supports in-register parameters

如果只使用前 6 个寄存器的参数，如下代码即可：

#!/usr/bin/python

from bcc import BPF

# load BPF program
b = BPF(text="""
#include <uapi/linux/ptrace.h>
int kprobe__inotify_handle_event(struct pt_regs *ctx, struct fsnotify_group *group,
                         struct inode *inode,
                         u32 mask, const void *data, int data_type,
                         const unsigned char *file_name)
{
  char comm[128];
  int pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;

  bpf_get_current_comm(comm, sizeof(comm));
  bpf_trace_printk("pid is:%d, comm is: %s\\n", pid, comm);
  bpf_trace_printk("file is: %s\\n", file_name);
  return 0;
}
""")

b.trace_print()

但是我们可以使用如下的方式，拿到剩下的参数（以 cookie 为例）：

  unsigned long cookie;
  bpf_probe_read(&cookie, 8, (unsigned long*)PT_REGS_SP(ctx) + 1);

完整代码如下：

#!/usr/bin/python

from bcc import BPF

# load BPF program
b = BPF(text="""
#include <uapi/linux/ptrace.h>
int kprobe__inotify_handle_event(struct pt_regs *ctx, struct fsnotify_group *group,
                         struct inode *inode,
                         u32 mask, const void *data, int data_type,
                         const unsigned char *file_name)
{
  char comm[128];
  unsigned long cookie;
  int pid = bpf_get_current_pid_tgid() >> 32;
  bpf_probe_read(&cookie, 8, (unsigned long*)PT_REGS_SP(ctx) + 1);
  bpf_get_current_comm(comm, sizeof(comm));
  bpf_trace_printk("pid is:%d, comm is: %s\\n", pid, comm);
  bpf_trace_printk("cookie is %d, file is: %s\\n", cookie, file_name);
  return 0;
}
""")

b.trace_print()

shell 1 运行 BCC 代码

./get-stack-arg.py

shell 2 使用 inotify-tools 验证

[root@rmed ~]# inotifywait -m ./

shell 3 做如下的操作

[root@rmed ~]# mv testFileA testFileB

shell 1 如下输出

shell 1 output

shell 2 如下输出

shell 2 output

为了保持严谨性，可以使用https://man7.org/linux/man-pages/man7/inotify.7.html[1] 中的代码进行验证，

主要是做了如下改动，增加对IN_MOVED_FROM | IN_MOVED_TO的监控：

diff --git a/inotify.c b/inotify.c
index 08fa55a..7116a9a 100644
--- a/inotify.c
+++ b/inotify.c
@@ -61,6 +61,10 @@
                    if (event->mask & IN_CLOSE_WRITE)
                        printf("IN_CLOSE_WRITE: ");

+                   if (event->mask & IN_MOVED_FROM)
+                       printf("IN_MOVED_FROM: ");
+                   if (event->mask & IN_MOVED_TO)
+                       printf("IN_MOVED_TO: ");
                    /* Print the name of the watched directory. */

                    for (int i = 1; i < argc; ++i) {
@@ -75,6 +79,8 @@
                    if (event->len)
                        printf("%s", event->name);

+                   if (event->cookie)
+                       printf("cookie: %d", event->cookie);
                    /* Print type of filesystem object. */

                    if (event->mask & IN_ISDIR)
@@ -123,7 +129,7 @@

            for (i = 1; i < argc; i++) {
                wd = inotify_add_watch(fd, argv,
-                                         IN_OPEN | IN_CLOSE);
+                                         IN_OPEN | IN_CLOSE | IN_MOVED_FROM | IN_MOVED_TO);
                if (wd == -1) {
                    fprintf(stderr, "Cannot watch '%s': %s\n",
                            argv, strerror(errno));
@@ -182,3 +188,4 @@

同样的，使用 BCC 和自己编译的 inotify 工具验证。

BCC 输出：

ebpf-bcc-inotify

inotify 输出：

ebpf-inotify

输出符合预期，剩下的第 8 个参数，大家可自行修改代码验证。

祝大家玩得开心。

参考文献：

• https://eyakubovich.github.io/2022-04-19-ebpf-kprobe-params/
• https://eli.thegreenplace.net/2011/09/06/stack-frame-layout-on-x86-64
• https://man7.org/linux/man-pages/man7/inotify.7.html
• https://github.com/iovisor/bcc/blob/master/src/cc/frontends/clang/b_frontend_action.cc
• https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/arch/x86/include/asm/ptrace.h#L346