作者：闻茂泉
他山之石
理解和把握纯c语言的ebpf编译和应用，有助于咱们加深对于eBPF技术原理的进一步把握，也有助于开发合乎本人业务需要的高性能的ebpf程序。目前常见和支流的纯c语言的ebpf编译应用办法，次要是两种。一种是内核源码中原生提供的编译形式。另外一种是libbpf-bootstrap我的项目中提供的skeleton编译形式。libbpf-bootstrap形式和社区5.x以上内核联合的比拟好，当前再做介绍，明天咱们抉择基于4.18内核的基于内核源码的原生编译形式做介绍。
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形式编译ebpf的形式，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/
咱们明天将参考这篇文章内容，对基于内核源码形式的纯c语言的ebpf编译形式做进一步剖析。
获取内核源码
目前支流的服务器的操作系统环境还是以8u + 4.18内核为主。因而，本文以4.18版本内核为次要剖析对象。咱们提供如下操作系统环境的获取倡议：
获取操作系统环境
如果你本人有centos8u兼容环境操作系统，则能够应用已有的环境。如果没有，能够通过阿里云官网购买阿里云主机，抉择抉择centos8或者anolis8操作系统环境。
$ cat /etc/centos-releaseCentOS Linux release 8.5.2111$ uname -r4.18.0-348.7.1.el8_5.x86_64获取开源的内核源码
能够应用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下载内核源码肯定要确保内核版本与操作系统的统一。起因是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 = 4PATCHLEVEL = 18SUBLEVEL = 0初始化根底环境
须要装置ebpf编译时依赖的llvm和clang等rpm包。此外内核编译还须要依赖openssl-devel等rpm包。
$ sudo yum install bison flex openssl-devel$ sudo yum install clang llvm elfutils-libelf-devel具体每个试验机器的环境可能略有差异，须要依据本人的状况做细节调整。
编译内核源码中ebpf程序样例
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须要执行make prepare。而make init正好蕴含这两步make prepare && make scripts。因而，咱们将命令依照如下形式优化，根本可能一遍跑过：
$ cd /tmp/linux-4.18$ make oldconfig && make init # make oldconfig && make prepare && make scripts$ make headers_install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执行样例程序
咱们能够通过对样例程序的执行，对编译成果进行验证。结果显示执行胜利，狄老师文章中的步骤验证通过，有点小冲动。
$ sudo ./samples/bpf/trace_outputrecv 1766352 events per sec内核源码的ebpf编译要害过程提取
接下去就是本文最重点的局部，对ebpf编译过程的剖析。咱们次要分剖析headers_install和对samples/bpf目录的make这2个步骤。
头文件装置 make headers_install
从新获取一个洁净的内核源码，再次执行下面的编译步骤。这次咱们对编译过程减少一些察看步骤。
$ 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 -l931 # 此时include目录下有931个文件$ diff -rs usr/include/ /usr/include/|grep -P '^Files .+ and .+ are identical$'|wc -l677这阐明内核源码目录下，headers_install步骤生成的usr/include/目录下性能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/下找到齐全一摸一样的同名文件，并且内容也完全相同。
$ rpm -ql kernel-headers | wc -l964 $ 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包的装置目录。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。
eBPF样例编译 make M=samples/bpf
ebpf样例的编译过程，咱们做一下改良，通过SHELL选项关上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通过剖析make.log，再联合其余一些黑科技，能够大略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要害信息，下一节会给出残缺编译命令。
$ 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其中前一行最初的横线 - 示意 这里是输入给shell管道，所以这两行理论是能够通过shell管道拼接成一个命令来执行的。
手工编译内核源码中的eBPF样例剖析
通过上一节对关键步骤make M=samples/bpf的实际，咱们曾经能够编译出内核源码中提供的ebpf样例。但这还不够咱们充沛地了解这个编译过程，咱们将这编译过程持续拆解一下，拆解成能够一步步执行的那种，为了不便大家了解，我将这个过程合成为 A-H 6大手工步骤，外面还会蕴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/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的要害编译选项做一些介绍。
- -fPIC，通知编译器输入地位无关指标，为前面生成共享库埋下伏笔。
- -I. 示意须要蕴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目录下的头文件地位。
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。
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动态库文件。
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的要害编译选项做一些介绍。手工步骤D和手工步骤F与此相似。
- O2 和 -std=gnu89 是两个外围选项。
- include选项，一共有6个，咱们将其分为3组。第一组是-I./usr/include ，这示意蕴含等同于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/。之所以把这一组独自独立进去，是因为它和样例代码处于同样的门路。
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的要害编译选项做一些介绍。
- -lelf -lrt链接两个类库
- libbpf.a示意以动态链接库的形式链接libbpf的类库。● 最要害的是，没有增加-static选项，没有增加-static选项，没有增加-static选项，重要的事件说三遍。
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的要害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示意屏蔽掉零碎默认的include环境，替换成以后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个头文件很要害，是内核态ebpf程序所依赖的绝大多数头文件的地位。● -include ./include/linux/kconfig.h，这个头文件也很要害，是让下面7个头文件失效的前提条件。● -I samples/bpf 和 -I ./tools/testing/selftests/bpf/，这2个头文件是和ebpf样例所处地位雷同，独自独立进去看。● llc是llvm的连接器。内核是将clang的编译和llc的链接独立成两步实现，在llc步骤才指定-march=bpf。对编译后果进行验证，完满验证通过，第二次有点小冲动。
$ sudo ./samples/bpf/trace_outputrecv 1760674 events per sec关键步骤抽取不是最终目标，基本目标是能让咱们实现脱离内核源码进行独立的纯C语言编译。咱们将在后续的文章中进一步论述。
对于4.9版本内核
依照内核的原生步骤，对4.9内核进行一次编译，咱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动态库的链接，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查问内核源码，能够发现，在4.9内核下，有2个libbpf.c文件，别离处于./tools/lib/bpf/目录和./samples/bpf/目录。而内核ebpf样例临时应用的还是老的./samples/bpf/libbpf.c文件。
进一步摸索
本文为eBPF入手实际系列的第一篇，咱们实现了基于内核源码框架的一步一步的纯C语言编译，下一篇咱们会对这个编译过程持续深刻摸索，实现脱离内核源码后的纯C语言编译。
欢送有想法或者有问题的同学，加群交换eBPF技术以及工程实际。
SREWorks数智运维工程群(钉钉群号：35853026)
附录: eBPF手工纯C编译残缺命令清单
cd /tmp/rm -fr /tmp/linux-4.18tar -zxvf linux-4.18.tar.gz cd /tmp/linux-4.18make oldconfig && make initmake headers_installcd tools/lib/bpf/# 步骤A1# gcc -g -fPIC -c -o libbpf.o libbpf.cgcc -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.cgcc -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.cgcc -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.cgcc -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Bld -r -o libbpf-in.o libbpf.o bpf.o nlattr.o btf.o# 步骤Car 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.cgcc -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.cgcc -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.cgcc -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 -lrtgcc -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Hclang -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