第4篇：tracepoint、ftrace 集成与 perf 工具链

源码：kernel/events/core.c kernel/trace/trace_event_perf.c kernel/trace/ | 头文件：include/trace/perf.h

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1. tracepoint 到 perf_event 的桥接

tracepoint 是内核中的静态埋点（TRACE_EVENT 宏）。用户态可以通过 perf 订阅这些事件，每个事件触发时 perf_event 写入 ring buffer。

1.1 tracepoint 的 perf 注册路径

用户态: perf_event_open(attr.type = PERF_TYPE_TRACEPOINT, attr.config = TRACEPOINT_ID)

  → perf_init_event → 通过 PERF_TYPE_TRACEPOINT 找到 perf_tracepoint_pmu

  → perf_tp_event_init(event)
    → 根据 attr.config 查找对应的 tracepoint (通过 tracepoint id)
    → 安装 perf 到 tracepoint 的 perf_probe 列表

每一触发的 tracepoint（例如 sched_switch）:
  → trace_sched_switch(...) in kernel source
    → perf_trace_run_bpf_submit(entry, count, rctx, regs, head, task)
      → trace_event_buffer_reserve → allocate ring buffer space
      → perf_trace_buf_submit → output tracepoint data to perf buffer
        → perf_output_sample(event, data) → per-event ring buffer write

1.2 核心桥接代码

// kernel/trace/trace_event_perf.c
int perf_trace_init(struct perf_event *event)
{
    // ① 通过 event->attr.config 找到 tracepoint id
    // ② 获取对应的 tracepoint 结构体
    // ③ 注册 perf_event 到 tracepoint 的 probe 列表
    //    → tp->probes[TP_PROBE_PERF] = event
}

// kernel/trace/trace_event_perf.c
void perf_trace_run_bpf_submit(void *raw_data, int size, int rctx,
                               struct trace_event_call *call, u64 count,
                               struct pt_regs *regs, struct hlist_head *head,
                               struct task_struct *task)
{
    // ① 预留 ring buffer 空间
    // ② 填充 perf 的 sample data（IP, PID, timestamp, callchain）
    // ③ 调用 perf_output_sample(event, data, regs)
}

关键: perf record -e sched:sched_switch 可以捕获每次 task switch 的调用信息，并且后续用 perf report 分析。

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2. 与 ftrace 的集成

perf 使用 ftrace 的函数图追踪作为采样基础：

perf record -g (采集调用链):
  → perf_event_open + 采样
    → NMI 触发时读取 pt_regs->ip（当前 IP）
    → 调用链回溯: perf_callchain_kernel(regs)
      → unwind_stack → 读取栈帧上的返回地址
    → 调用链写入 ring buffer 的 PERF_RECORD_SAMPLE 记录
    → 用户态 perf report 构建火焰图

perf ftrace (perf 内部用 ftrace 做函数级采样):
  → echo "function_graph" > /sys/kernel/tracing/current_tracer
  → ftrace 回调 → perf 桥接 → 写入 perf ring buffer

2.1 perf probe — 动态插入 tracepoint

perf probe -a 'myprobe do_sys_open filename=%x0:%si'
  → 通过 debugfs/sysfs 创建一个 kprobe
  → 注册到 tracepoint 系统
  → 表现为一个新的 perf 事件: perf_event_open(attr.type = PERF_TYPE_TRACEPOINT, ...)

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3. bpf 的叠加

内核中等价于 perf_event_open(attr.type = BPF_PROG_TYPE_PERF_EVENT) 的路径允许 BPF 程序在 perf event 采样时被触发：

硬件 PMU 采样（NMI）→ intel_pmu_handle_irq
  → perf_event_overflow
    → 如果有附加的 BPF 程序: bpf_overflow_handler
      → BPF 程序运行在 NMI 上下文
      → 可以读取 PMC 值、更新 map、发送 ring buffer 到用户态
    → perf_output_sample (标准 perf 采样)

这使得 BPF 能够在硬件性能事件发生时做实时计算，而不只是事后分析——这是 Netflix/BPF 性能工具的核心。

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4. 文件系统接口

路径	用途
/sys/bus/event_source/devices/	所有已注册的 PMU 目录
/sys/bus/event_source/devices/cpu/type	PERF_TYPE_HARDWARE = 0
/sys/bus/event_source/devices/cpu/events/	列出所有可采样的硬件事件
/sys/bus/event_source/devices/cpu/format/	attr.config 的编码格式说明
/sys/kernel/tracing/events/	所有 tracepoint 和 kprobes
/sys/kernel/tracing/events/sched/sched_switch/id	该 tracepoint 的 perf_event_open config 值
/sys/kernel/debug/tracing/per_cpu/cpu0/	ftrace 的每 CPU 输出

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5. perf record 完整数据流

① 创建 perf_event
  perf_event_open(attr.type=HARDWARE, attr.config=cpu_cycles, attr.sample_period=10000)
    → struct perf_event 创建
    → fd 返回给用户态

② 启用计数
  ioctl(fd, PERF_EVENT_IOC_ENABLE)
    → pmu->add(event) → 选择硬件计数器

③ mmap ring buffer
  mmap(fd, 0, (1 + 2^n) * PAGE_SIZE, ...)
    → 映射 struct perf_event_mmap_page + data pages

④ 等待采样 (poll)
  poll(&fds, 1, -1, ...)
    → 每 10000 个 CPU 周期 NMI 触发
      → perf_event_overflow → perf_output_sample → ring buffer 写入
      → data_head 推进
      → perf_event_update_userpage → userpg->data_head = rb->head
    → irq_work → wake_up(poll_wait) → poll() 返回

⑤ 读取采样
  while (userpg->data_tail != userpg->data_head) {
    read sample record (IP, PID, timestamp, callchain)
    → write to perf.data file
    userpg->data_tail = new_tail
  }

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6. 总结 — 四条路径对比

路径	触发源	写到哪里	谁消费
perf stat	无 (counter only)	event->count	用户态 read(fd)
perf record	PMU NMI 溢出	ring buffer	mmap 轮询
perf tracepoint	内核 tracepoint 调用	每事件 ring buffer	mmap 轮询
perf + bpf	PMU NMI 溢出	bpf output ring buffer	bpf 用户态读取

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系列结语

4 篇文章从 struct perf_event 和 perf_event_open 系统调用起步，深入到 Ring Buffer 的零系统调用 mmap 轮询和 perf_output_begin/end 写入路径，再到 x86 Intel PMU 驱动的硬件计数器分配和 NMI 采样处理，最后覆盖 perf 与 ftrace、BPF 的交互以及完整的 perf record 数据流。

篇	内容	核心文件
01-perf-event	struct perf_event + syscall	include/linux/perf_event.h:765, core.c:13844
02-ring-buffer	mmap + 用户态零拷贝	core.c:6825, ring_buffer.c
03-pmu	x86 PMU 驱动 + NMI 采样	arch/x86/events/intel/core.c
04-tooling	tracepoint/ftrace/bpf 集成	kernel/trace/trace_event_perf.c

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