在Linux操作系統上有一個非常有用的工具，無論是進行深層次的問題定位，還是進行Linux內核代碼的學習，使用該工具都能達到事半功倍的效果。今天我們就介紹一下這個工具及其用法。

今天，我們主要介紹如下幾部分的內容：

• 什么是ftrace
• ftrace的基本用法
• ftrace的實現原理概述

什么是 ftrace

我們可以將ftrace理解為Function tracer的簡稱，可以看出其基本功能是實現函數調用的跟蹤。其實ftrace不僅僅用于進行函數調用的跟蹤，其它很多內核信息都可以通過該工具進行跟蹤。

除了上面函數調用跟蹤外，ftrace 還能幫我們分析內核特定的事件，比如調度，中斷等;它還能幫我們去追蹤延遲，比如中斷被屏蔽，搶占被禁止的時間，以及喚醒一個進程之后多久開始執行的時間等等。

因此可以理解，ftrace其實為我們提供了一個透視內核的工具，這就像醫院的CT機或者核磁共振一樣，通過該工具我們可以了解內核內部的更多細節。下面我們羅列出該工具的主要功能，大家可以作為參考：

(1) Function tracer 和 Function graph tracer：跟蹤函數調用。

(2) Schedule switch tracer：跟蹤進程調度情況。

(3) Preemptoff tracer：和前一個 tracer 類似，preemptoff tracer 跟蹤并記錄禁止內核搶占的函數，并清晰地顯示出禁止搶占時間最長的內核函數。

(4) Preemptirqsoff tracer：同上，跟蹤和記錄禁止中斷或者禁止搶占的內核函數，以及禁止時間最長的函數。

(5) Branch tracer：跟蹤內核程序中的 likely/unlikely 分支預測命中率情況。 Branch tracer 能夠記錄這些分支語句有多少次預測成功。從而為優化程序提供線索。

(6) Hardware branch tracer：利用處理器的分支跟蹤能力，實現硬件級別的指令跳轉記錄。在 x86 上，主要利用了 BTS 這個特性。

(7) Sysprof tracer：缺省情況下，sysprof tracer 每隔 1 msec 對內核進行一次采樣，記錄函數調用和堆棧信息。

(8) Kernel memory tracer：內存 tracer 主要用來跟蹤 slab allocator 的分配情況。包括 kfree，kmem_cache_alloc 等 API 的調用情況，用戶程序可以根據 tracer 收集到的信息分析內部碎片情況，找出內存分配最頻繁的代碼片斷，等等。

(9) Initcall tracer：記錄系統在 boot 階段所調用的 init call 。

(10) Mmiotrace tracer：記錄 memory map IO 的相關信息。

(11) Power tracer：記錄系統電源管理相關的信息。

(12) Workqueue statistical tracer：這是一個 statistic tracer，統計系統中所有的 workqueue 的工作情況，比如有多少個 work 被插入 workqueue，多少個已經被執行等。開發人員可以以此來決定具體的 workqueue 實現，比如是使用 single threaded workqueue 還是 per cpu workqueue.

(13) Event tracer：跟蹤系統事件，比如 timer，系統調用，中斷等。

(14) Wakeup tracer：跟蹤進程的調度延遲，即高優先級進程從進入 ready 狀態到獲得 CPU 的延遲時間。該 tracer 只針對實時進程。

(15) Irqsoff tracer：當中斷被禁止時，系統無法相應外部事件，比如鍵盤和鼠標，時鐘也無法產生 tick 中斷。這意味著系統響應延遲，irqsoff 這個 tracer 能夠跟蹤并記錄內核中哪些函數禁止了中斷，對于其中中斷禁止時間最長的，irqsoff 將在 log 文件的第一行標示出來，從而使開發人員可以迅速定位造成響應延遲的罪魁禍首。

ftrace的基本用法

ftrace的基本用法其實是比較簡單的。以Ubuntu18.04為例，我們只需要在current_tracer文件中輸入function字符串即可。具體操作步驟如下：

cd /sys/kernel/debug/tracing 
echo function > current_tracer 

當執行上述命令后，我們用vim命令打開該目錄下面一個名為trace的文件，此時就可以函數調用情況。

如果查看該文件，可能會發現有幾萬個函數調用，估計看著就頭大。其實它的功能要強大的多，比如我們通過function_graph實現調用棧的層級關系，此時可以更加方便的理清函數調用關系。同時，我們還可實現函數名稱的過濾，比如只抓取某些，或者不抓取某些函數等等。

有些版本的操作系統可能不能直接使用該功能，這就需要進行一些配置。關于這些配置，本文暫不介紹，后續專門進行相關介紹。

ftrace的實現原理概述

ftrace最早用于跟蹤函數調用，后來隨著需求的增加，ftrace演變為一個框架。也就是我們前面介紹的對內核各種探測的功能。

整個ftrace的架構如圖所示，其整體分為兩層，核心部分是內核框架和一些捕獲信息的插件，其中函數調用就是其中一個插件;另外一部分則是用戶態的一些輔助工具集。

可以看出，在內核中核心的是ftrace框架，具體功能組件是各種插件，也就是tracers。如果需要跟蹤具體的內容，則該tracer需要注冊到框架當中。tracer捕獲的信息會輸出到一個環形緩沖區中。整個框架中需要用到另外一個內核模塊，也就是debugfs模塊。該模塊實現了用戶態與內核的交互。

內核態的代碼在kernel/trace目錄下面，該下面是ftrace框架和各個tracer的代碼。如下圖所示，可以看出tracer還是比較多的。

整個ftrace的代碼量也并不是特別多，大概有4萬多行的樣子。所以，目前ftrace確實是一個非常強大的內核狀態監測工具。