eBPF动手实践系列一：解构内核源码eBPF样例编译过程

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他山之石

了解和掌握纯c语言的ebpf编译和使用，有助于我们加深对于eBPF技术原理的进一步掌握，也有助于开发符合自己业务需求的高性能的ebpf程序。

目前常见和主流的纯c语言的ebpf编译使用方法，主要是两种。一种是内核源码中原生提供的编译方式。另外一种是libbpf-bootstrap项目中提供的skeleton编译方式。libbpf-bootstrap方式和社区5.x以上内核结合的比较好，以后再做介绍，今天我们选择基于4.18内核的基于内核源码的原生编译方式做介绍。

在国内学习ebpf技术，就不得不提到《Linux内核观测技术BPF》书籍译者狄卫华老师。狄老师还有一个网站《深入浅出 eBPF》。在网站里，他专门用一篇文章介绍了基于内核源码方式编译ebpf的方式，文章内容叫《【BPF入门系列-3】BPF 环境搭建》，网址：

 https://www.ebpf.top/post/ebpf_c_env/

我们今天将参考这篇文章内容，对基于内核源码方式的纯c语言的ebpf编译方式做进一步分析。

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获取内核源码

目前主流的服务器的操作系统环境还是以8u + 4.18内核为主。因此，本文以4.18版本内核为主要分析对象。我们提供如下操作系统环境的获取建议：

2.1  获取操作系统环境

如果你自己有centos8u兼容环境操作系统，则可以使用已有的环境。如果没有，可以通过阿里云官网购买阿里云主机，选择选择centos8或者anolis8操作系统环境。

$  cat /etc/centos-release
CentOS Linux release 8.5.2111
$  uname -r
4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64

2.2  获取开源的内核源码

可以使用wget，从aliyun官网镜像，获取开源的4.18内核源码。

$  cd /tmp/
$  wget https://mirrors.aliyun.com/linux-kernel/v4.x/linux-4.18.tar.gz
$  tar -zxvf linux-4.18.tar.gz
$  cd linux-4.18

下载内核源码一定要确保内核版本与操作系统的一致。原因是ebpf会用到VERSION、PATCHLEVEL和SUBLEVEL这3个宏的值与内核做内核版本校验。如果版本传的不对，ebpf校验会失败。

$  cat Makefile  | grep -P '^VERSION|^PATCHLEVEL|^SUBLEVEL'   
VERSION = 4
PATCHLEVEL = 18
SUBLEVEL = 0

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初始化基础环境

需要安装ebpf编译时依赖的llvm和clang等rpm包。此外内核编译还需要依赖openssl-devel等rpm包。

$  sudo yum install bison flex openssl-devel
$  sudo yum install clang llvm elfutils-libelf-devel

具体每个实验机器的环境可能略有差别，需要根据自己的情况做细节调整。

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编译内核源码中ebpf程序样例

4.1  编译环境初始化

狄老师的文章中这里执行的是make scripts，在内核源码编译时此步骤前通常还需要执行make prepare。而make init正好包含这两步make prepare && make scripts。因此，我们将命令按照如下方式优化，基本能够一遍跑过：

$  cd /tmp/linux-4.18
$  make oldconfig && make init  # make oldconfig && make prepare && make scripts
$  make headers_install

4.2  编译内核源码样例

终于执行到了内核源码中提供的ebpf程序样例的编译。

$  make M=samples/bpf

4.3  执行样例程序

我们可以通过对样例程序的执行，对编译效果进行验证。结果显示执行成功，狄老师文章中的步骤验证通过，有点小激动。

$  sudo ./samples/bpf/trace_output
recv 1766352 events per sec

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内核源码的ebpf编译关键过程提取

接下去就是本文最重点的部分，对ebpf编译过程的分析。我们主要分分析headers_install和对samples/bpf目录的make这2个步骤。

5.1  头文件安装 make headers_install

重新获取一个干净的内核源码，再次执行上面的编译步骤。这次我们对编译过程增加一些观察步骤。

$  cd  /tmp/
$  rm -fr /tmp/linux-4.18
$  tar -zxvf linux-4.18.tar.gz 
$  cd /tmp/linux-4.18
$  make oldconfig && make init
$  ls usr/include/
ls: cannot access usr/include/: No such file or directory      # 此时include目录不存在
$  make headers_install
$  ls usr/include/ -R  | grep -v -P ':$' | grep -v -P '^$' | wc -l
931                                                      #  此时include目录下有931个文件
$  diff -rs usr/include/ /usr/include/|grep -P '^Files .+ and .+ are identical$'|wc -l
677

这说明内核源码目录下，headers_install步骤生成的usr/include/目录下功能900多个文件，其中大多数（677个）文件都能在操作系统环境的/usr/include/下找到完全一摸一样的同名文件，并且内容也完全相同。

$  rpm -ql kernel-headers | wc -l
964  
$  rpm -ql kernel-headers | head 
/usr/include/asm
/usr/include/asm-generic
/usr/include/asm-generic/bpf_perf_event.h

而操作系统环境的/usr/include/目录正好是kernel-headers包的安装目录。所以编译过程中headers_install步骤就是在内核源码目录生成了kernel-headers包作用一样的内容。

5.2  eBPF样例编译 make M=samples/bpf

ebpf样例的编译过程，我们做一下改进，通过SHELL选项打开shell的调试选项。具体命令如下：

$  make M=samples/bpf --debug=v,m SHELL="bash -x" > make.log 2>&1

通过分析make.log，再结合其他一些黑科技，可以大概找出内核源码样例中trace_output命令的编译脉络。其中用户态编译脉络如下。为了表述上更加突出主题，此处只显示编译命令的关键信息，下一节会给出完整编译命令。

$  gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.c
$  gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.c
$  gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.c
$  gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.c
$  ld -r -o libbpf-in.o libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o
$  ar rcs libbpf.a libbpf-in.o
$  gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.c
$  gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.c
$  gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.c
$  gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrt

其中内核态编译脉络如下：

$  clang -O2 -emit-llvm -c trace_output_kern.c -o - 
$  llc -march=bpf -filetype=obj -o trace_output_kern.o

其中前一行最后的横线 - 表示 这里是输出给shell管道，所以这两行实际是可以通过shell管道拼接成一个命令来执行的。

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手工编译内核源码中的eBPF样例分析

通过上一节对关键步骤make M=samples/bpf的实践，我们已经可以编译出内核源码中提供的ebpf样例。但这还不够我们充分地理解这个编译过程，我们将这编译过程继续拆解一下，拆解成可以一步步执行的那种，为了方便大家理解，我将这个过程分解为 A-H 6大手工步骤，里面还会包含一些细分的小步骤：

$  cd  /tmp/
$  rm -fr /tmp/linux-4.18
$  tar -zxvf linux-4.18.tar.gz 
$  cd /tmp/linux-4.18
$  make oldconfig && make init
$  make headers_install
$  cd tools/lib/bpf/

6.1  手工步骤A过程解析

手工步骤A1：

$  # gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.c
$  gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o libbpf.o libbpf.c

手工步骤A2：

$ # gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.c
$  gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o bpf.o bpf.c

手工步骤A3：

$ # gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.c
$  gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o btf.o btf.c

手工步骤A4：

$ # gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.c
$  gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o nlattr.o nlattr.c

针对手工步骤A1到A4的关键编译选项做一些介绍。

● -fPIC，告诉编译器输出位置无关目标，为后面生成共享库埋下伏笔。

● -I. 表示需要包含当前目录下的头文件。

● -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf，这4个头文件，是用户态ebpf程序所依赖tool目录下的头文件位置。

6.2  手工步骤B过程解析

$  ld -r -o libbpf-in.o  libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o

手工步骤B是将步骤A中产生4个.o文件进行链接。

6.3  手工步骤C过程解析

$  ar rcs libbpf.a libbpf-in.o

手工步骤C是从链接后的文件中提取静态库文件。

6.4  手工步骤D/E/F过程解析

手工步骤D：

$  # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.c
$  gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./usr/include -Wno-unused-variable -c -o samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/bpf_load.c

手工步骤E：

$  # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.c
$  gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/trace_output_user.c

手工步骤F：

$  # gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.c
$  gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.c

针对手工步骤E的关键编译选项做一些介绍。手工步骤D和手工步骤F与此类似。

● -O2 和 -std=gnu89 是两个核心选项。

● include选项，一共有6个，我们将其分为3组。第一组是-I./usr/include ，这表示包含等同于kernel-headers的内容。

● 第二组是-I./tools/lib/， -I./tools/include，-I./tools/perf，-I./tools/lib/bpf/

● 第三组是-I./tools/testing/selftests/bpf/。之所以把这一组单独独立出来，是因为它和样例代码处于同样的路径。

6.5  手工步骤G过程解析

$  # gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrt
$  gcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o /tmp/linux-4.18/samples/bpf/../../tools/lib/bpf/libbpf.a -lelf -lrt

针对手工步骤G的关键编译选项做一些介绍。

● -lelf -lrt链接两个类库

● libbpf.a表示以静态链接库的方式链接libbpf的类库。

● 最关键的是，没有添加-static选项，没有添加-static选项，没有添加-static选项，重要的事情说三遍。

6.6  手工步骤H过程解析

$  clang -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include -I./arch/x86/include -I./arch/x86/include/generated -I./include -I./arch/x86/include/uapi -I./arch/x86/include/generated/uapi -I./include/uapi -I./include/generated/uapi -include ./include/linux/kconfig.h -Isamples/bpf -I./tools/testing/selftests/bpf/ -D__KERNEL__ -D__BPF_TRACING__ -D__TARGET_ARCH_x86 -O2 -emit-llvm -c samples/bpf/trace_output_kern.c -o - | llc -march=bpf -filetype=obj -o samples/bpf/trace_output_kern.o

针对手工步骤H的关键编译选项做一些介绍。

● -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include，这2个选项是一组。nostdinc表示屏蔽掉系统默认的include环境，替换成当前gcc编译器自带的include头文件环境。

●-I./arch/x86/include，-I./arch/x86/include/generated，-I./include，-I./arch/x86/include/uapi，-I./arch/x86/include/generated/uapi，-I./include/uapi，-I./include/generated/uapi。这7个头文件很关键，是内核态ebpf程序所依赖的绝大多数头文件的位置。

● -include ./include/linux/kconfig.h，这个头文件也很关键，是让上面7个头文件生效的前提条件。

● -I samples/bpf 和 -I ./tools/testing/selftests/bpf/，这2个头文件是和ebpf样例所处位置相同，单独独立出来看。

● llc是llvm的连接器。内核是将clang的编译和llc的链接独立成两步完成，在llc步骤才指定-march=bpf。

对编译结果进行验证，完美验证通过，第二次有点小激动。

$  sudo ./samples/bpf/trace_output
recv 1760674 events per sec

关键步骤抽取不是最终目的，根本目的是能让我们实现脱离内核源码进行独立的纯C语言编译。我们将在后续的文章中进一步阐述。

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关于4.9版本内核

按照内核的原生步骤，对4.9内核进行一次编译，我们会发现对应手工步骤E的这一步，编译代码有点不一样，具体代码如下。

$  gcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/libbpf.o samples/bpf/trace_output_user.o -lelf -lrt

其中没有了对libbpf.a静态库的链接，但却多了一个libbpf.o文件的链接。

$  cd /tmp/linux-4.9/
$  find . -name libbpf.c
./samples/bpf/libbpf.c
./tools/lib/bpf/libbpf.c

查询内核源码，可以发现，在4.9内核下，有2个libbpf.c文件，分别处于./tools/lib/bpf/目录和./samples/bpf/目录。而内核ebpf样例暂时使用的还是老的./samples/bpf/libbpf.c文件。

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进一步探索

本文为eBPF动手实践系列的第一篇，我们实现了基于内核源码框架的一步一步的纯C语言编译，下一篇我们会对这个编译过程继续深入探索，实现脱离内核源码后的纯C语言编译。

欢迎有想法或者有问题的同学，加群交流eBPF技术以及工程实践。

SREWorks数智运维工程群(钉钉群号：35853026)

附录: eBPF手工纯C编译完整命令清单

cd  /tmp/
rm -fr /tmp/linux-4.18
tar -zxvf linux-4.18.tar.gz 
cd /tmp/linux-4.18
make oldconfig && make init
make headers_install
cd tools/lib/bpf/

# 步骤A1
# gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.c
gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o libbpf.o libbpf.c

# 步骤A2
# gcc -g -fPIC -c -o bpf.o bpf.c
gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o bpf.o bpf.c

# 步骤A3
# gcc -g -fPIC -c -o btf.o btf.c
gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o btf.o btf.c

# 步骤A4
# gcc -g -fPIC -c -o nlattr.o nlattr.c
gcc -g -DHAVE_LIBELF_MMAP_SUPPORT -DCOMPAT_NEED_REALLOCARRAY -fPIC -I. -I/tmp/linux-4.18/tools/include -I/tmp/linux-4.18/tools/arch/x86/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/include/uapi -I/tmp/linux-4.18/tools/perf -D"BUILD_STR(s)=#s" -c -o nlattr.o nlattr.c

# 步骤B
ld -r -o libbpf-in.o  libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o

# 步骤C
ar rcs libbpf.a libbpf-in.o 

cd /tmp/linux-4.18/

# 步骤D
# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o bpf_load.o bpf_load.c
gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./usr/include -Wno-unused-variable -c -o samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/bpf_load.c

# 步骤E
# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_output_user.o trace_output_user.c
gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/trace_output_user.c

# 步骤F
# gcc -O2 -std=gnu89 -c -o trace_helpers.o trace_helpers.c
gcc -O2 -fomit-frame-pointer -std=gnu89 -I./usr/include -I./tools/lib/ -I./tools/testing/selftests/bpf/ -I./tools/lib/ -I./tools/include -I./tools/perf -I./tools/lib/bpf/ -c -o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.c

# 步骤G
# gcc -o trace_output bpf_load.o trace_output_user.o trace_helpers.o libbpf.a -lelf -lrt
gcc -o samples/bpf/trace_output samples/bpf/bpf_load.o samples/bpf/trace_output_user.o samples/bpf/../../tools/testing/selftests/bpf/trace_helpers.o /tmp/linux-4.18/samples/bpf/../../tools/lib/bpf/libbpf.a -lelf -lrt

# 步骤H
clang -nostdinc -isystem /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/8/include -I./arch/x86/include -I./arch/x86/include/generated -I./include -I./arch/x86/include/uapi -I./arch/x86/include/generated/uapi -I./include/uapi -I./include/generated/uapi -include ./include/linux/kconfig.h -Isamples/bpf -I./tools/testing/selftests/bpf/ -D__KERNEL__ -D__BPF_TRACING__ -D__TARGET_ARCH_x86 -O2 -emit-llvm -c samples/bpf/trace_output_kern.c -o - | llc -march=bpf -filetype=obj -o samples/bpf/trace_output_kern.o

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